Centro de Competência de Ciências Exatas e da Engenharia

Centro de Competência de Ciências Exatas e da Engenharia

Sistemas hídricos de captação de energia para redes de

sensores sem fios

Jorge Miguel Abreu Lopes

Dissertação submetida à Universidade da Madeira para a obtenção do Grau

de Mestre em Engenharia de Telecomunicações e de Redes de Energia

Orientador: Doutor Joaquim Amândio Rodrigues Azevedo

Dezembro 2015

ii

Resumo

O presente trabalho teve como objetivo o estudo de soluções de produção de energia

elétrica a partir de fontes hídricas com o fim de alimentar nós sensores.

Foi feito um estudo geral relativamente a sistemas tradicionais de captura de energia hídrica

de grande escala. Foram obtidas as equações de dimensionamento das turbinas de grande escala

e das condutas de captura. Foram escolhidos os detalhes para a produção de um protótipo com

as ferramentas disponíveis, tendo-se implementado dois sistemas de geração de energia hídrica

de pequena escala.

O primeiro sistema estudado utilizou uma turbina tipo Propeller, a versão de pás fixas do

sistema Kaplan que é muito mais comum, mas mais difícil de produzir à escala desejada. Neste

sistema foi usada uma solução comercial, nomeadamente um eixo com rolamento estanque e

uma hélice de nylon utilizados em modelismo. Foram testados vários caudais ao variar a

diferença de altura entre o nível de água a montante e a jusante da turbina. Foi obtida uma

eficiência máxima na ordem dos 62% na turbina, no sistema com bocal divergente.

O segundo sistema estudado utilizou uma turbina tipo Pelton. Para este caso foi decidido

usar a tecnologia de impressão 3D para fabricar as turbinas, injetores e qualquer outro

componente necessário. Foi assumido, propositadamente, que as equações para turbinas de

grande escala se aplicavam a sistemas de muito pequena escala. Como tal, foi dimensionada

uma turbina à escala seguindo uma forma próxima da geometria das turbinas encontradas em

sistemas de grande escala. Foram impressas 19 turbinas distintas, divididas em 3 grupos de

dimensão, de modo a testar o efeito de mudar caraterísticas de desenho. Foi também testada

uma turbina Pelton feita de metal usada num estudo anterior. Para cada turbina foram extraídos

os dados de potência mecânica usando 4 diâmetros distintos de injetor. Destes testes, foi

observado que a melhor eficiência nas turbinas de menor dimensão testadas foi de 37%, para

as turbinas de dimensão intermédia foi de 42% e para a turbina impressa de maior dimensão foi

de 41%. A turbina de metal obteve uma eficiência na ordem dos 48%.

De seguida foram escolhidas 2 turbinas de cada escala, para serem testadas usando um

gerador trifásico desenvolvido para o efeito, um retificador e uma carga elétrica programável.

Os testes foram realizados com 3 diâmetros de injetor. Destes foi observada uma eficiência

máxima que variava entre os 25% para a turbina de menor escala e os 36% para a turbina de

metal.

Posteriormente, a melhor turbina de cada escala foi testada usando um nó sensor

desenvolvido para o efeito e 2 diâmetros de injetor. Nestes testes foi observado que a eficiência

geral variava entre os 18,1%, para turbinas pequenas, e os 29,2%, para a turbina de metal.

Além da diferença de eficiência entre os dois sistemas, foi observado que o sistema tipo

Propeller tinha uma gama de potência muito estreita relativamente ao sistema Pelton.

Refira-se que os dados para o sistema tipo Propeller foram capturados de forma

completamente manual. Como a quantidade de testes realizados para o sistema tipo Pelton foi

substancialmente superior, o sistema de captura de dados foi melhorado para permitir a captura

semiautomática dos valores de potência mecânica e binário.

Palavras chave: Redes de Sensores Sem Fios, Energia Hídrica, Pelton, Propeller,

Captação de Energia de Pequena Escala.

iii

iv

Abstract

This study aimed to develop very small scale hydropower solutions, small enough to

effectively supply energy to wireless sensor network nodes.

Research was done on traditional, large scale, hydropower systems in order to obtain the

equations and ratios for correctly dimensioning the turbines and penstock necessary for this

study. Details were chosen for the fabrication of a prototype with the available tools. Two

different systems were implemented.

The first one was a Propeller style system, similar to the more common Kaplan system,

which is very difficult to fabricate at the required scale. For this system a commercial solution

was used, namely an airtight axle and bearing tube and a nylon turbine used in scale models.

Several flow rates were tested by varying the gross head between the water level upstream and

downstream from the turbine. An efficiency of about 62% was obtained by using a divergent

draft tube.

The second system was based on Pelton systems. In this case it was decided to use 3D

printing technology for the fabrication of the turbines, injectors and any other required part. It

was deliberately assumed that all of the large scale relations and equations apply directly to

very small scale systems. Therefore a primary turbine was created following very closely the

geometry of large scale turbines. 19 turbines were fabricated, divided in 3 size groups, in order

to test the effect of changing design attributes. A small scale metal Pelton turbine that was used

in a previous study was also tested. Each turbine was tested with a set of 4 injectors with

different diameters and the data for mechanical power was extracted. From these tests it was

found that the smaller scale turbines had a top efficiency of 37%, the average the sized turbines

had a top efficiency of 42% and the larger scale turbine had a top efficiency of 41%. The metal

turbine achieved an efficiency of about 48%.

2 turbines of each size group were chosen. These were tested using a hand made three phase

generator, a rectifier and a programmable electrical load. The tests were made using 3 diameters

of injectors. The maximum efficiency ranged from 25% for the smaller scale turbines and 36%

for the metal turbine.

After that, the best turbine of each scale was tested using a developed sensor node and 2

injectors of different diameters. During these tests the overall efficiency ranged from 18.1% for

the smaller turbines and 29.2% for the metal turbine.

When comparing the Propeller based system with the Pelton based system it was found

that the Propeller system has a much narrower power curve when compared with a Pelton

system.

It should be mentioned that the data for the Propeller based system was all captured

manually. Since the amount of tests for the Pelton system was substantially larger it was decided

to improve the dynamometer into a semi-automatic system.

Keywords: Wireless Sensor Networks, Hydropower, Pelton, Propeller, Small Scale

Energy Harvesting

v

vi

Agradecimentos

Tenho a agradecer a várias pessoas que me ajudaram na elaboração deste projeto, tanto por

ações e/ou por palavras.

Agradeço aos meus pais, irmãos, cunhados e família pela ajuda incondicional que me

deram.

Agradeço o meu orientador, Doutor Joaquim Amândio Azevedo, pois como ele são poucas

as pessoas tão pacientes e dedicadas ao seu trabalho.

Agradeço a ajuda dos professores Luís Gomes, Dionísio Barros e Gabriel Lira pela ajuda

que deram em termos de conhecimentos.

Um agradecimento especial é devido aos meus colegas e amigos do laboratório, sem

nenhuma ordem em particular: Filipe, Carlos, Pedro, Francisco, Daniel, Castro, Rodolfo, Élvio

e Iuri pela sua ajuda fundamental.

Agradeço aos meus amigos que me ajudaram incondicionalmente com livros,

conhecimento e na captura dos dados, sem nenhuma ordem em particular: Joana, José e Sílvia.

Agradeço a todos os meus amigos e colegas que foram perguntando pelo trabalho e me

desejaram sorte.

Finalmente agradeço a todos aqueles que com as suas críticas e ideias ajudaram a melhorar

este trabalho.

vii

viii

Índice

Resumo ................................................................................................................................ ii

Abstract............................................................................................................................... iv

Agradecimentos .................................................................................................................. vi

Índice ................................................................................................................................ viii

Índice de Figuras ................................................................................................................. x

Índice de Tabelas .............................................................................................................. xvi

Lista de Acrónimos......................................................................................................... xviii

Lista de Símbolos ........................................................................................................... xviii

1. Introdução .................................................................................................................... 1

1.1. Motivação ............................................................................................................. 1

1.2. Objetivos ............................................................................................................... 1

1.3. Estrutura da dissertação ........................................................................................ 2

2. Sistemas de energia hídrica .......................................................................................... 3

2.1. Redes de sensores sem fios ................................................................................... 3

2.2. Alimentação de Redes de Sensores Sem Fios ...................................................... 4

2.2.1. Sistemas de armazenamento de energia ......................................................... 4

2.2.2. Sistemas de captação de energia ..................................................................... 5

2.2.3. Reguladores de tensão DC/DC ..................................................................... 11

2.3. Sistemas hídricos ................................................................................................ 17

2.3.1. Propriedades físicas de fluidos ..................................................................... 17

2.3.2. Classificação das turbinas ............................................................................. 19

2.3.3. Propriedades gerais das turbinas................................................................... 21

2.3.4. Turbina Pelton .............................................................................................. 23

2.3.5. Turbina Francis ............................................................................................ 27

2.3.6. Turbina Propeller/Kaplan ............................................................................ 28

2.3.7. Perdas na conduta ......................................................................................... 29

2.4. Conclusão ........................................................................................................... 32

3. Desenvolvimento do sistema ..................................................................................... 33

3.1. Requisitos do sistema ......................................................................................... 33

3.2. Sistema de controlo central................................................................................. 34

3.3. Comunicação ...................................................................................................... 36

3.4. Conversor comutado ........................................................................................... 37

3.5. Alimentação e armazenamento ........................................................................... 39

ix

3.6. Medição da potência mecânica ........................................................................... 41

3.7. Turbinas .............................................................................................................. 46

3.7.1. Propeller ....................................................................................................... 46

3.7.2. Pelton ............................................................................................................ 50

3.8. Gerador ............................................................................................................... 55

3.9. Carga variável ..................................................................................................... 59

3.10. Nó sensor ...................................................................................................... 61

3.11. Conclusão ..................................................................................................... 64

4. Testes e resultados ..................................................................................................... 65

4.1. Potência mecânica do sistema Propeller ............................................................ 65

4.1.1. Condições de teste ........................................................................................ 65

4.1.2. Perdas na tubagem ........................................................................................ 68

4.1.3. Análise dos resultados .................................................................................. 68

4.2. Potência mecânica do sistema Pelton ................................................................. 74

4.2.1. Condições de teste ........................................................................................ 74

4.2.2. Comportamento da água ejetada................................................................... 76

4.2.3. Análise dos resultados .................................................................................. 77

4.3. Comparações entre os dois sistemas ................................................................... 83

4.4. Gerador elétrico e retificador .............................................................................. 83

4.5. Potência elétrica com a turbina Pelton ............................................................... 85

4.5.1. Sistema com a turbina, gerador e retificador ................................................ 85

4.5.2. Comportamento do gerador e retificador...................................................... 87

4.6. Potência elétrica com a turbina Propeller .......................................................... 89

4.7. Conversor DC-DC comutado ............................................................................. 89

4.8. Nó sensor ............................................................................................................ 90

4.8.1. Testes de variação de carga .......................................................................... 90

4.9. Densidade de potência ........................................................................................ 93

4.10. Conclusões .................................................................................................... 94

5. Conclusões e trabalhos futuros .................................................................................. 95

5.1. Conclusão ........................................................................................................... 95

5.2. Trabalhos futuros ................................................................................................ 97

Referências ........................................................................................................................ 99

Anexo A. Tecnologias de produção de células fotovoltaicas ................................... 103

Anexo B. Formas de onda dos reguladores de tensão comutados ............................ 105

x

Anexo C. Fluxograma do conta rotações simples com ecrã ..................................... 107

Anexo D. Código Arduíno do conta rotações simples com ecrã .............................. 108

Anexo E. Fluxograma da interface de medição de potência mecânica .................... 109

Anexo F. Código python da interface de medição de potência mecânica ................ 110

Anexo G. Fluxograma do medidor de potência mecânica ........................................ 125

Anexo H. Código Arduíno do medidor de potência mecânica ................................. 126

Anexo I. Fluxograma da interface da carga variável ............................................... 128

Anexo J. Código python da interface da carga variável ........................................... 129

Anexo K. Fluxograma do medidor de potência elétrica ........................................... 151

Anexo L. Código Arduíno do medidor de potência elétrica ..................................... 152

Anexo M. Fluxograma do medidor de rotações ....................................................... 155

Anexo N. Código Arduíno do medidor de rotações ................................................. 156

Anexo O. Gráficos de potência mecânica do sistema Propeller .............................. 157

Anexo P. Fotografias do sistema Propeller .............................................................. 162

Anexo Q. Fotografias do sistema Pelton .................................................................. 166

Anexo R. Gráficos de potência mecânica do sistema Pelton ................................... 179

Anexo S. Gráficos dos testes de carga elétrica ......................................................... 211

Anexo T. Gráficos da relação entre potência mecânica e potência elétrica.............. 223

Anexo U. Código do nó sensor ................................................................................. 226

Anexo V. Gráficos dos testes com nó sensor............................................................ 233

Índice de Figuras

Figura 2.1 – Exemplo de uma bateria a ser recarregada e a fornecer energia à carga [8]. .. 5

Figura 2.2 – Modelo da estrutura de uma célula solar [13]. ................................................ 6

Figura 2.3 – Célula solar policristalina [13]. ....................................................................... 7

Figura 2.4 – Interações entre os fotões e os componentes da célula solar [14]. .................. 7

Figura 2.5 – Modelo de uma célula solar [13]..................................................................... 7

Figura 2.6 – Espectro captável de uma célula de silício amorfo e de uma célula

monocristalina [12]. .................................................................................................................... 8

Figura 2.7 – Ponto de máxima transferência de potência [13]. ........................................... 8

Figura 2.8 – Dependência do ponto máximo de transferência com a radiação solar [13]. . 8

Figura 2.9 – Exemplo de uma turbina de eixo horizontal e de duas turbinas de eixo vertical

[17] [15]. ..................................................................................................................................... 9

xi

Figura 2.10 – Energy Harvesting Eel [18]. ....................................................................... 10

Figura 2.11 – Turbinas para captação de energia para contadores inteligentes [19]: (a)

representação virtual do sistema, (b) protótipo físico............................................................... 10

Figura 2.12 – Micro turbina hídrica [15]. .......................................................................... 11

Figura 2.13 – Micro turbina Pelton e micro turbina Propeller [16]. ................................. 11

Figura 2.14 – Exemplos de duas topologias de reguladores lineares [22]. ....................... 12

Figura 2.15 – Exemplos de reguladores DC-DC básicos [23]: a) Conversor redutor; b)

Conversor elevador; c) conversor elevador-redutor; d) conversor elevador-redutor Cûk........ 13

Figura 2.16 – Topologia buck [25]. ................................................................................... 13

Figura 2.17 – Topologia boost [25]. .................................................................................. 14

Figura 2.18 – Topologia buck-boost [25]. ......................................................................... 14

Figura 2.19 – Topologia Cûk [25]. .................................................................................... 15

Figura 2.20 – Ganho em relação ao fator de ciclo de um regulador buck-boost e de um

regulador Cûk [21]. .................................................................................................................. 15

Figura 2.21 – Topologia Cûk com indutores acoplados [20]. ........................................... 16

Figura 2.22 – Topologia Cûk com magnetismo incorporado [27]. ................................... 16

Figura 2.23 – Exemplo da topologia Cûk com magnetismo incorporado [21]. ................ 17

Figura 2.24 – Fluxo laminar e fluxo turbulento [30]. ........................................................ 18

Figura 2.25 – Perfil da distribuição de velocidades num fluxo turbulento e evolução do

perfil da velocidade média num fluxo laminar e num fluxo turbulento [29] [30]. ................... 19

Figura 2.26 – Sistema típico de turbina Pelton [32] [34]. ................................................. 19

Figura 2.27 – Sistema de turbina Francis [32] [34]. .......................................................... 20

Figura 2.28 – Sistema de turbina Propeller [32] [34]. ...................................................... 20

Figura 2.29 – Instalação típica de uma turbina de reação [32]. ......................................... 20

Figura 2.30 – Variação da eficiência com a velocidade específica [29]. .......................... 21

Figura 2.31 – Domínio de aplicação das diferentes turbinas [30]. .................................... 22

Figura 2.32 – Alturas relativas a uma instalação de uma turbina [30]. ............................. 23

Figura 2.33 – Turbina Pelton [30]. .................................................................................... 24

Figura 2.34 – Turbina Pelton típica e velocidades caraterísticas [31]. ............................. 24

Figura 2.35 – Válvula de lança [31]. ................................................................................. 24

Figura 2.36 – Forças na turbina e nos baldes [36]. ............................................................ 25

Figura 2.37 – Dimensões do balde da turbina [29]. .......................................................... 25

Figura 2.38 – Valores típicos para os ângulos [36]. .......................................................... 25

Figura 2.39 – Eficiências em função do rácio de velocidade de uma turbina Pelton [34].

.................................................................................................................................................. 26

Figura 2.40 – Eficiência em função da carga [34]. ............................................................ 26

xii

Figura 2.41 – Rodas de turbinas Francis típicas, de acordo com a sua velocidade específica

[30] ........................................................................................................................................... 27

Figura 2.42 – Turbina Francis típica [29] ......................................................................... 27

Figura 2.43 – Sistema de turbina Propeller ou Kaplan [39]. ............................................ 28

Figura 2.44 – Eficiência em função da percentagem da potência dimensionada [34]. ..... 28

Figura 2.45 – Formas típicas de tubos de sucção [29] ...................................................... 29

Figura 2.46 – Linha de energia num percurso de líquido ideal. ........................................ 29

Figura 2.47 – Escoamento por um orifício. ....................................................................... 30

Figura 2.48 – Linha de energia num percurso de líquido real. .......................................... 30

Figura 2.49 – Perdas singulares num sistema hídrico. ...................................................... 31

Figura 3.1 – Arquitetura do sistema desenvolvido. ........................................................... 33

Figura 3.2 – Arduíno Fio [41]. .......................................................................................... 34

Figura 3.3 – Sensores de tensão, corrente e magnetismo lidos pelo Arduíno Fio. ............ 34

Figura 3.4 – Sensor de tensão. ........................................................................................... 35

Figura 3.5 – Sensor de corrente. ........................................................................................ 35

Figura 3.6 – Esquema da ligação do sensor de Hall. ......................................................... 36

Figura 3.7 – Módulo XBee S2. .......................................................................................... 36

Figura 3.8 – Tramas de transmissão e receção por XBEE. ............................................... 36

Figura 3.9 – Subtramas de envio e receção. ...................................................................... 37

Figura 3.10 – Circuito driver de controlo do componente de comutação. ........................ 38

Figura 3.11 – Duplicador de tensão capacitivo. ................................................................ 38

Figura 3.12 – Ponto de bypass. .......................................................................................... 39

Figura 3.13 – Circuito de corte seletivo. ........................................................................... 40

Figura 3.14 – Travão por corda [48]. ................................................................................ 41

Figura 3.15 – Esquema do medidor de binário: (A) manivela, (B) balanças de mola, (C)

ganchos, (D) apoio móvel, (E) apoio fixo, (F) fio, (G) polia, (H) carris lineares de gaveta, (I)

roda volante presa ao eixo sob teste, (J) estrutura principal. ................................................... 41

Figura 3.16 – Medidor de binário montado. ...................................................................... 42

Figura 3.17 – Contador de rotações por segundo. ............................................................. 42

Figura 3.18 – Circuito do medidor de rotações com ecrã. ................................................. 42

Figura 3.19 – Verificação de valores de rotações por segundo. ........................................ 43

Figura 3.20 – Materiais testados para a criação da roda volante. ...................................... 43

Figura 3.21 – Célula de carga. ........................................................................................... 44

Figura 3.22 – Balanças de bolso. ....................................................................................... 44

Figura 3.23 – Células de carga montadas nos postes. ....................................................... 44

xiii

Figura 3.24 – Amplificador de pontes resistivas [42]. ...................................................... 45

Figura 3.25 – Circuito implementado. ............................................................................... 45

Figura 3.26 – Interface de captura de dados. ..................................................................... 45

Figura 3.27 – No topo o conjunto de eixo impermeável, prendedor de eixo e apoio de

gerador. Na parte inferior o cone, a turbina e uma moeda para escala. .................................... 47

Figura 3.28 – Sistema Propeller: (A) detalhe do encapsulamento da turbina, (B) captura de

água de entrada, (C) captura em aresta viva com 40 mm de diâmetro, (D) captura de água de

saída, (E) tubo curvo com 45º e diâmetro de 40 mm, (F) gerador, (G) tubo curvo com 45º e

diâmetro de 40 mm adaptado, (H) união de tubos, (I) tubo de vácuo, (J) apertador de eixo, (K)

detalhe do apertador de eixo, (L) hélice, (M) cone, (N) eixo e rolamento impermeável. ........ 48

Figura 3.29 – Bocal direito e bocal divergente.................................................................. 48

Figura 3.30 – Perdas de carga............................................................................................ 49

Figura 3.31 – Perdas de carga com tubo de sucção divergente. ........................................ 49

Figura 3.32 – Criadores de vórtice. ................................................................................... 50

Figura 3.33 – Turbina dimensionada. ................................................................................ 51

Figura 3.34 – Primeiro conjunto de turbinas Pelton. ......................................................... 51

Figura 3.35 – Segundo conjunto de turbinas Pelton.......................................................... 52

Figura 3.36 – Turbinas para estudo do efeito do ângulo. .................................................. 52

Figura 3.37 – Injetores e adaptador. .................................................................................. 53

Figura 3.38 – Injetor dimensionado................................................................................... 53

Figura 3.39 – Sistema Pelton: (A) mangueira, (B) tanque principal, (C) tanque de

compensação, (D) união em T, (F) injetor e turbina, (J) acoplamento turbina-gerador, (U)

gerador, (V) captura em aresta viva.......................................................................................... 54

Figura 3.40 – Detalhes do sistema Pelton: (E) eixo, (G) turbina, (H) apoio móvel, (I) apoio

fixo, (K) injetor e purga de bolhas de ar, (T) mecanismo de purga de bolhas de ar. ............... 54

Figura 3.41 – Detalhe do interior do injetor e injetor explodido: (A) mangueira, (L) retentor

do injetor, (M) injetor, (N) anel de borracha, (O) apoio do injetor, (P) tubo de apoio principal,

(Q) entrada do mecanismo de purga de bolhas de ar, (R) êmbolo flutuante, (S) encapsulamento

do mecanismo de purga de bolhas de ar. .................................................................................. 54

Figura 3.42 – Exemplo de bobinas concentradas [49]. ..................................................... 55

Figura 3.43 – Gerador........................................................................................................ 56

Figura 3.44 – Gerador ligado a retificador trifásico. ......................................................... 56

Figura 3.45 – Modelo de uma fase do gerador. ................................................................. 57

Figura 3.46 – Uma volta da bobina no estator [49]. .......................................................... 57

Figura 3.47 – Modelo linearizado de um gerador [49]. ..................................................... 58

Figura 3.48 – Ligação de fluxo em relação à largura relativa do enrolamento [49]. ........ 58

Figura 3.49 – Representação linear de um enrolamento em relação ao rotor. .................. 59

xiv

Figura 3.50 – Carga de corrente constante [42]. ............................................................... 59

Figura 3.51 – Circuito da carga variável. .......................................................................... 60

Figura 3.52 – Teste de carga elétrica. ................................................................................ 60

Figura 3.53 – Interface de captura de dados. ..................................................................... 60

Figura 3.54 – Algoritmos de teste. .................................................................................... 61

Figura 3.55 – Identificação dos componentes do nó sensor: (A) retificador, (B) conversor

comutado, (C) driver, (D) sensor de corrente de entrada na bateria, (E) duplicador de tensão,

(F) sensor de tensão, (G) interruptor de corte central, (H) sensor de corrente de saída da

bateria, (I) bateria, (J) arduíno FIO e XBee, (K) retentor impermeável de cabos. ................... 62

Figura 3.56 – Fluxograma do código do nó sensor. .......................................................... 63

Figura 4.1 – Sistema de testes da turbina Propeller: (A) tanque de estabilização, (B) tanque

de captura, (C) medidor de binário e potência mecânica, (D) turbina, (E) Conduta, (F) tanque

de saída, (G) tanque de recuperação de água, (H) bomba de água, (I) válvula de bola, (J) fonte

de água externa, (K) mangueiras rígidas, (L) tubo de escapatória. .......................................... 65

Figura 4.2 – Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 10

cm: a) sem tubo de sucção, b) com tubo de sucção direito, c) com tubo de sucção divergente.

.................................................................................................................................................. 66

Figura 4.3- Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 20


.................................................................................................................................................. 67

Figura 4.4 – Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 30


.................................................................................................................................................. 67

Figura 4.5 – Resultados para uma queda bruta de 10 cm sem bocal. ................................ 69

Figura 4.6 – Resultados para as montagens sem bocal. .................................................... 69

Figura 4.7 – Resultados para as montagens com bocal reto. ............................................. 70

Figura 4.8 – Resultados para as montagens com bocal divergente. .................................. 70

Figura 4.9 – Resultados para os sistemas com uma queda bruta de 10 cm. ...................... 71

Figura 4.10 – Resultados para os sistemas com uma queda bruta de 20 cm. .................... 71

Figura 4.11 – Resultados para os sistemas com uma queda bruta de 30 cm. .................... 72

Figura 4.12 – Entrada de ar no sistema e o sistema a descartar as bolhas de ar. ............... 73

Figura 4.13 – Sistema a funcionar em pleno. .................................................................... 73

Figura 4.14 – Sistema de teste das turbinas Pelton: (A) fonte de água externa, (B) válvula

de boia, (C) captura em aresta viva, (D) tanque de compensação, (E) queda bruta, (F)

injetor, (G) tanque de captura, (H) medidor de binário de potência mecânica, (I) turbina, (J)

saída de água, (K) válvula de bola. ........................................................................................... 74

Figura 4.15 – Medição de velocidade do jato.................................................................... 75

Figura 4.16 – Potência para as várias turbinas com o injetor 3A. ..................................... 76

Figura 4.17 – Efeito da carga no ângulo de saída da água. ............................................... 76

xv

Figura 4.18 – Resultados dos ensaios com uma turbina com tratamento e uma turbina sem

tratamento. ................................................................................................................................ 77

Figura 4.19 – Resultados com e sem divisória central. ..................................................... 77

Figura 4.20 – Resultados da variação da eficiência em relação ao número de colheres. .. 78

Figura 4.21 – Influência do número de colheres na eficiência. ......................................... 78

Figura 4.22 – Eficiência da turbina 7. ............................................................................... 79

Figura 4.23 – Comparação da forma da curva de binário. ................................................ 79

Figura 4.24 – Eficiência da turbina 5. ............................................................................... 80

Figura 4.25 – Influência da dimensão e potência disponível na eficiência. ...................... 80

Figura 4.26 – Influência da dimensão na eficiência. ......................................................... 81

Figura 4.27 – Efeito do ângulo na turbina 8 e 9. ............................................................... 81

Figura 4.28 – Efeito do ângulo na turbina 10 e 11. ........................................................... 82

Figura 4.29 – Efeito do ângulo na turbina 12 e 13. ........................................................... 82

Figura 4.30 – Comparação entre as turbinas Pelton e a turbina Propeller. ....................... 83

Figura 4.31 – Forma de onda da saída trifásica do gerador. .............................................. 83

Figura 4.32 – Linearidade da tensão em relação à velocidade angular do gerador. .......... 84

Figura 4.33 – Resistência interna equivalente do conjunto gerador e retificador em relação

à corrente. ................................................................................................................................. 84

Figura 4.34 – Potência elétrica da turbina 8 para vários injetores..................................... 85

Figura 4.35 – Relação entre a tensão e velocidade angular. .............................................. 85

Figura 4.36 – Relação entre a corrente e o binário relativamente à velocidade angular. .. 86

Figura 4.37 – Eficiência dos sistemas relativamente à potência. ...................................... 86

Figura 4.38 – Eficiência do gerador e retificador em relação à velocidade angular. ........ 87

Figura 4.39 – Dependência entre a eficiência e a potência disponível. ............................. 88

Figura 4.40 – Eficiência do conjunto gerador e retificador em relação à velocidade angular.

.................................................................................................................................................. 88

Figura 4.41 – Potência elétrica para a turbina Propeller. .................................................. 89

Figura 4.42 – Eficiência do conversor DC- DC. ............................................................... 90

Figura 4.43 – Nó sensor..................................................................................................... 90

Figura 4.44 – Relação entre a potência de entrada, potência de saída e a velocidade angular.

.................................................................................................................................................. 91

Figura 4.45 – Relação entre a velocidade angular, potência de entrada e fator de ciclo para

a turbina 8 e injetor 5. ............................................................................................................... 91

Figura 4.46 – Relação entre a velocidade angular, potência de entrada e fator de ciclo para

a turbina A e injetor 5. .............................................................................................................. 92

Figura 4.47 – Comparação entre a potência de entrada e a corrente de entrada. .............. 92

xvi

Figura 4.48 – Efeito na potência de entrada em relação ao fator de ciclo. ........................ 93

Índice de Tabelas

Tabela 2-1 – A melhor escolha de turbina de acordo com a velocidade específica [29] .. 21

Tabela 2-2 – Rácio das dimensões [29] ............................................................................. 25

Tabela 3-1 – Consumos dos componentes ........................................................................ 39

Tabela 3-2 – Caraterísticas de desenho dos injetores. ....................................................... 53

Tabela 4-1 – Valores de β para o sistema. ......................................................................... 68

Tabela 4-2 – Eficiências da turbina no ponto de máxima transferência de potência. ....... 72

Tabela 4-3 – Caraterísticas reais dos injetores. ................................................................. 75

Tabela 4-4 – Eficiência máxima dos sistemas. .................................................................. 86

Tabela 4-5 – Eficiência de pico do gerador para cada turbina. ......................................... 87

Tabela 4-6 – Eficiência do sistema em relação à turbina e injetor. ................................... 93

xvii

xviii

Lista de Acrónimos

MPPT Maximum Power Point Transfer

RSSF Redes de Sensores Sem Fios

LDO Low Drop Out

PWM Pulse Width Modulation

ADC Analog to Digital Converter

OPAMP Amplificador Operacional

DC Direct Current

3D Tridimensional

RPM Rotações Por Minuto

Lista de Símbolos

A Área

B Campo magnético

Cv Coeficiente de velocidade

Cp Coeficiente de potência

C Capacitância

D Fator de ciclo, Diâmetro da turbina, Distância percorrida

d Diâmetro do jato

f Frequência

g Aceleração da gravidade

H Queda

Ht Queda bruta

Hl Perda de queda

He Queda efetiva

Hu Queda útil

I Corrente Elétrica

Kv Fator de forma de onda

kλ Fluxo de ligação

K Fator de perda na conduta devido ao efeito de atrito

L Indutância

xix

l Comprimento

N Velocidade rotacional, Número de voltas no enrolamento

ns Velocidade específica adimensional

Ns Velocidade específica não adimensional

p Pressão

P Potência

Q Caudal

Re Número de Reynolds

rn Raio do ponto médio das bobinas do gerador

U Velocidade absoluta tangencial

V Tensão elétrica

v Velocidade

Z Marca piezométrica, Número de colheres

β Coeficiente de atrito, Ângulo

δ Densidade relativa

γ Peso volúmico

Δ Espessura relativa

ΔH Perda de queda

η Eficiência

µ Viscosidade

ρ Massa volúmica ou densidade

τ Binário

Φ Fator de velocidade

ω Velocidade angular

Ω Resistência elétrica

1

1. Introdução

Neste capítulo são apresentadas as razões que motivaram a elaboração deste trabalho, os

objetivos a alcançar e a estrutura deste relatório.

1.1. Motivação

O tempo de vida de uma rede de sensores sem fios está ligado, de forma muito fundamental,

à sua capacidade de se alimentar energeticamente. As fontes de energia tradicionais, como as

baterias recarregáveis por energia solar, são adequadas para muitas das aplicações. No entanto,

existem situações nos quais é difícil o acesso à energia solar, como exemplo tem-se uma rede

de sensores utilizada para monitorizar parâmetros de uma floresta. Nesse caso, o acesso à

energia solar implicaria a colocação dos painéis acima da copa das árvores, o que representaria

custos extremamente elevados, não sendo viável para redes cujo tamanho dos sistemas deve ser

reduzido. Nesses casos é necessário usar fontes menos comuns, como a energia eólica, a energia

vibracional ou a energia de gradiente térmico. No entanto, a captação de energia por vibração

ou por gradiente térmico tem apresentado eficiências muito baixas e são de difícil obtenção em

muitas situações práticas. A energia eólica mostrou ser uma boa alternativa, mas trata-se de

uma energia imprevisível, e que não existe em todos os locais de implementação de redes de

sensores.

Na ausência de energia solar ou eólica é necessário olhar para outras fontes menos

ortodoxas, à escala de captação para alimentar redes de sensores sem fios. A fonte estudada

neste trabalho, a energia hídrica, é uma das fontes de energia mais limpas, das mais antigas e

com mais potencial em grande escala. Em locais onde existe água, como pequenas ribeiras ou

levadas, pode ser adequado utilizar esta fonte de energia para alimentar nós sensores. Além

disso, ao contrário da maior parte das outras fontes de energia, a energia hídrica mantém-se por

longos períodos de tempo, o que possibilita uma produção previsível e constante. No entanto,

para a produção de pequena escala praticamente não existem estudos nesta área.

O presente estudo pretendeu responder às questões de viabilidade e dimensionamento, à

escala adequada para a alimentação de nós sensores.

1.2. Objetivos

Como existe pouca informação relativa ao dimensionamento de turbinas hídricas em

pequena escala, foi feita uma análise do efeito da geometria e de dimensão das turbinas e dos

mecanismos de captação de água na eficiência do sistema.

De forma a se ter uma noção geral da adequação das turbinas às redes de sensores foi feito

o estudo de duas classes de turbinas, uma para baixa queda e grande caudal e a outra para grande

queda e baixo caudal. Para se obterem os valores de eficiência destas turbinas tornou-se

necessário desenvolver uma ferramenta de medição, preferencialmente automática, da potência

mecânica. Destas medições pretendeu-se extrair um conjunto de métricas de dimensionamento

para turbinas de muito pequena escala.

O passo seguinte passou por acoplar às melhores turbinas um gerador trifásico

adequadamente dimensionado. A medição da potência elétrica produzida por este sistema

requereu a criação de uma outra ferramenta de medição automatizada.

2

A última etapa passou pelo dimensionamento e programação de um circuito elétrico que

permitisse o carregamento de um conjunto de baterias, mantendo o sistema a funcionar no seu

máximo ponto de eficiência.

1.3. Estrutura da dissertação

O presente documento está dividido em cinco capítulos, sendo estes:

1. Introdução – Este capítulo apresenta as necessidades que motivaram a realização

deste estudo, possíveis soluções e os objetivos.

2. Sistemas de energia hídrica – Neste capítulo é apresentada toda a teoria necessária

para a elaboração deste trabalho. São apresentadas informações relativas às redes

de sensores sem fios, à sua alimentação energética, ao armazenamento de energia,

aos estudos relativos a fontes de energia para redes de sensores sem fios, a

reguladores de tensão, aos sistemas hídricos de grande escala e alguma teoria

relativa a fluxos hídricos.

3. Desenvolvimento do sistema – Neste capítulo é feito todo o dimensionamento do

nó sensor, das turbinas e dos sistemas de apoio, das ferramentas de medição, do

gerador e regulador com procura do ponto de máxima transferência de potência.

4. Testes e resultados – Este capítulo contém a descrição dos testes e resultados

obtidos, em conjunto com observações relativas aos mesmos.

5. Conclusões e trabalhos futuros – Neste último capítulo são apresentadas as

conclusões tiradas durante os estudos realizados ao sistema e sugeridas melhorias

relativamente a trabalhos futuros.

3

2. Sistemas de energia hídrica

Neste capítulo será apresentada a informação, resultante da pesquisa bibliográfica, relativa

aos tópicos abordados nesta dissertação, nomeadamente a alimentação de redes de sensores sem

fios (RSSF) e os sistemas hídricos de grande escala, que servirão de base ao estudo dos sistemas

de pequena escala.

2.1. Redes de sensores sem fios

Um sensor é um dispositivo que converte grandezas físicas em grandezas elétricas

mensuráveis. Estas medições podem ser feitas indiretamente sem contacto, como no caso da

medição da radiação solar, ou com contacto, como no caso da medição da vibração de uma

estrutura [1] [2].

Uma rede de sensores sem fios é, tipicamente, constituída por pequenos nós relativamente

baratos e com capacidade limitada de processamento. Estes, normalmente, são equipados com

múltiplos sensores, um processador, memória, sistema de alimentação, rádio e, possivelmente,

atuadores. Devido à limitação de recursos há uma série de desafios a serem ultrapassados, sendo

um destes a capacidade limitada de energia disponível.

Uma forma de lidar com esse problema pode ser através do uso de algoritmos eficientes

de comunicação. De forma a cumprir a sua missão, os sensores devem conseguir comunicar

uns com os outros para transmitir a informação para um ponto central com o mínimo de perdas

e em tempo adequado [3] [4].

Um nó sensor sem fios é normalmente alimentado por baterias. Para aumentar a

longevidade de um nó sensor também podem ser utilizados mecanismos de captação de energia

do ambiente, sendo frequente a utilização de painéis solares [5].

Uma rede de sensores sem fios tem pouca ou nenhuma infraestrutura e é normalmente

constituída por algumas dezenas ou até alguns milhares de nós sensores a trabalharem

conjuntamente, com o fim de monitorizar e obter informações do ambiente que os rodeia. Uma

rede pode ser estruturada, quando os sensores são colocados de forma organizada e ponderada,

de modo a maximizar a área observada com o mínimo de sensores, ou não estruturada, quando

os sensores são espalhados de forma densa e desorganizada. As vantagens de uma rede

estruturada em relação a uma não estruturada advêm de uma redução no número de nós

necessários para se observar uma zona, consequentemente reduzindo o custo de manutenção e

eliminando as zonas não cobertas pelos sensores. A implementação desta topologia pode ser

limitada por fatores geográficos, ambientais ou sociais, nomeadamente se existe terreno

intransponível, ou se o ambiente local for perigoso, como a caldeira de um vulcão, ou se o local

a monitorizar for um campo de batalha [4].

Algumas das muitas aplicações das redes de sensores são nas áreas militares, na

monitorização biomédica, na domótica, no resgate durante desastres naturais, na observação da

saúde de estruturas, no consumo de recursos, na exploração em ambientes perigosos ou remotos

e na monitorização sísmica [3] [5] [6].

Um cenário futuro é um em que os sensores sem fios são tão baratos e pequenos que podem

ser embutidos no material das estruturas ou pulverizados em zonas de interesse, criando, desta

forma, uma rede digital que permite a observação muito detalhada de fenómenos locais [7].

4

2.2. Alimentação de Redes de Sensores Sem Fios

Com o aumento da popularidade e do uso de sensores sem fios em funções de

monitorização ambiental começam a aparecer redes de sensores muito densas, com uma grande

variedade de sensores e tecnologias de processamento local de dados. Tradicionalmente, essas

redes são alimentadas com recurso a baterias. Isto faz com que o custo de manutenção da rede

se torne problemático, devido ao custo da substituição das baterias, fazendo com que estas

sejam financeiramente insustentáveis. Daqui nasce a necessidade de se obter energia a partir de

fontes alternativas, obtidas no local de implementação do sensor, para suplementar ou substituir

o uso de baterias [6] [5].

Nesta secção são abordados vários sistemas de armazenamento de energia, vários sistemas

de captação de energia e reguladores de tensão.

2.2.1. Sistemas de armazenamento de energia

Existem vários tipos de sistemas de armazenamento de energia. Estes podem ser químicos,

mecânicos, eletrostáticos, indutivos, etc. Em aplicações de redes de sensores sem fios a fonte

primária de energia é, tipicamente, uma bateria.

Uma bateria é um dispositivo que converte a energia potencial química armazenada no seu

interior, através de um processo de redução-oxidação eletroquímica, em energia elétrica aos

seus terminais. Para baterias recarregáveis o processo é reversível. Nas reações de redução-

oxidação não eletroquímicas, como a oxidação ou a combustão, a transferência de eletrões

ocorre diretamente e é emitido calor. Como uma bateria eletroquímica converte energia química

em energia elétrica diretamente não é sujeita às limitações do ciclo de Carnot ditadas pela

segunda lei da termodinâmica, como é o caso de uma máquina de combustão ou máquina de

calor. Consequentemente, é possível obter maiores eficiências de conversão de energia com

baterias [8] [9].

Uma bateria é normalmente composta por células, cada uma delas com um cátodo e um

ânodo. Estes são, respetivamente, o terminal negativo, que é oxidado e no processo fornece

eletrões ao circuito elétrico, e o terminal positivo, que aceita eletrões do circuito elétrico. Um

outro componente da bateria é o eletrólito. Este serve como condutor iónico e permite a

transferência de cargas positivas dentro da célula entre o ânodo e o cátodo. Este costuma ser

um líquido, como a água ou outro tipo de solvente, com sais, ácidos ou alcalinos dissolvidos

para permitir a condutividade iónica. Existem também baterias com um eletrólito sólido, que

se comporta como condutor iónico à temperatura de trabalho da bateria [8].

Numa rede de sensores sem fios normalmente são usados dois tipos de baterias, as

primárias e as secundárias. Uma bateria que não pode ser recarregada facilmente ou de forma

efetiva é classificada como sendo uma bateria primária. Estas são usadas uma vez e descartadas

quando a sua energia é esgotada. São muito usadas em aparelhos portáteis e costumam ter uma

boa longevidade, grande densidade energética com pouca corrente de descarga, pouca

manutenção e facilidade de uso [8].

Tendo em conta que os sensores sem fios tendem a consumir muito pouca energia e que as

baterias primárias comerciais tendem a ser baratas relativamente à sua capacidade, o uso destas

pode ser vantajoso numa rede de sensores cujo acesso físico é fácil ou a duração da sua função

é curta. As vantagens destas baterias também incluem a capacidade de colocar os sensores em

lugares sem fontes externas e ambientais de energia (lugares sem luz, energia térmica ou

vibracional), não requerem materiais exóticos de encapsulamento, são relativamente

5

independentes de variáveis ambientais, são previsíveis no seu comportamento e permitem

colocar em funcionamento uma rede de sensores rapidamente [10].

As baterias secundárias são as que podem ser facilmente recarregadas, ao fazer-se passar

corrente na direção oposta à da corrente de descarga. Estas podem ser usadas como

armazenamento temporário para colmatar falhas de uma fonte primária, como é o caso das

baterias das fontes de alimentação ininterruptas, ou como fonte primária, como é o caso das

baterias nos telemóveis. Estas baterias são caraterizadas por apresentarem uma grande

densidade de energia, grande capacidade de descarga, curvas de descarga planas e bom

desempenho em temperaturas baixas. De modo geral, comparativamente às baterias primárias,

estas têm uma densidade de energia mais baixa e a sua capacidade de retenção de carga é

inferior [8] [10]. Na Figura 2.1 é mostrado um exemplo de uma bateria recarregável a ser

carregada e a fornecer energia a uma carga.

Figura 2.1 – Exemplo de uma bateria a ser recarregada e a fornecer energia à carga [8].

2.2.2. Sistemas de captação de energia

A captação de energia do ambiente pode ser dividida em dois tipos, o energy harvesting e

o energy scavenging. O termo energy harvesting aplica-se a situações onde a fonte de energia

ambiental é bem caracterizada e regular, enquanto o termo energy scavenging aplica-se a

situações onde a fonte de energia é desconhecida ou irregular. A diferença entre estes dois tipos

é pouco significativa, mas reflete um aspeto muito importante na implementação de sistemas

de sensores alimentados pelo ambiente, nomeadamente o do correto dimensionamento do

sistema de alimentação, relativamente ao ambiente onde este vai ser implementado, pelo

engenheiro que está a criar o sistema. Como normalmente ambos os termos são usados de forma

indistinta na literatura, o ato de capturar energia do ambiente será doravante identificado como

captação de energia ambiental em qualquer um dos dois cenários [10].

O desenvolvimento de tecnologias de sensores sem fios tem avançado a uma velocidade

muito maior que a velocidade de desenvolvimento de baterias primárias. Em certas aplicações

o uso destas já não é adequado, existindo também pressões regulamentares para a limitação de

materiais perigosos ou nocivos nas baterias. Consequentemente, torna-se fundamental o

desenvolvimento de aplicações de captação de fontes alternativas de energia [5].

Em certas aplicações torna-se fundamental o uso de fontes de energia externas ao próprio

sensor, nomeadamente a energia oriunda do meio circundante. Quando uma rede é demasiado

extensa, como a aplicação de pequenos sensores numa floresta para a prevenção de fogos e

deteção de poluição, os sensores estão colocados em lugares remotos ou de difícil acesso, o que

6

implica a captação de energia do ambiente para a operação da rede por longos períodos de

tempo. Noutras situações os sensores são colocados em instalações industriais com

funcionamento contínuo ou em sistemas biomédicos, como desfibrilhadores e pacemakers.

Neste último caso são requeridas cirurgias invasivas para a substituição da bateria. Uma

alternativa poderá ser a alimentação dos sistemas eletrónicos a partir da energia do próprio

corpo [10] [5].

Seguidamente são abordadas algumas fontes comuns de alimentação de nós sensores sem

fios.

2.2.2.1. Solar

Uma fonte de energia muito popular para alimentação de nós sensores é a utilização de

painéis solares fotovoltaicos. Estes permitem a conversão da energia da radiação solar em

energia elétrica e são usados numa miríade de sensores terrestres e flutuantes. Podem ser

colocados em florestas, montanhas, desertos, superfícies oceânicas, ilhas remotas e ambientes

domésticos e industriais [5] [6].

Algumas das tecnologias mais comuns usadas em painéis solares para redes de sensores

sem fios são as células monocristalinas, policristalinas, filmes finos amorfos e filmes finos de

telureto de cádmio. A eficiência destes sistemas encontra-se na ordem dos 15% a 20% para

células monocristalinas, 10 a 13% para células policristalinas, 8 a 10% para células de filme

fino amorfo e 8 a 13% para células de filme fino CdTe [11]. Podem ser obtidas mais

informações relativas a cada uma destas tecnologias no Anexo A.

Na Figura 2.2 é representada a estrutura típica de uma célula fotovoltaica e na Figura 2.3 é

mostrado um exemplo de uma célula fotovoltaica policristalina. É de notar o posicionamento

dos contactos frontais responsáveis pela passagem da corrente e os cristais característicos desta

tecnologia. A luz que incide no material é absorvida na região mais próxima da superfície e é

convertida em pares eletrão-lacuna. Se estes não forem recombinados ao atingirem a junção são

separados por um campo elétrico [12].

Figura 2.2 – Modelo da estrutura de uma célula solar [13].

7

Figura 2.3 – Célula solar policristalina [13].

Na Figura 2.4 são representadas as interações entre os fotões e os vários componentes da

célula solar. Somente a interação 3 é a desejada, sendo as restantes vistas como perdas [14].

Figura 2.4 – Interações entre os fotões e os componentes da célula solar [14].

Uma célula solar pode ser modelada, como representado na Figura 2.5, como uma fonte de

corrente limitada em tensão, cuja corrente aumenta com a intensidade de radiação incidente,

sendo que a tensão tende a manter-se constante.

Figura 2.5 – Modelo de uma célula solar [13].

Cada tecnologia tem sensibilidade a diferentes gamas espectrais de radiação incidente. Um

exemplo disto pode ser visto na Figura 2.6, onde é feita a comparação entre uma célula com

tecnologia de silício amorfo e uma célula de silício cristalino. Embora uma célula de silício

cristalino tenha uma gama espectral mais larga e uma eficiência maior, uma célula de silício

amorfo é mais adequada para aplicações interiores, visto que a sua resposta espectral é mais

próxima à emissão espectral de uma lâmpada fluorescente branca [11].

8

Figura 2.6 – Espectro captável de uma célula de silício amorfo e de uma célula monocristalina [12].

O facto destes painéis funcionarem como fontes de corrente dificulta a extração da máxima

potência. O ponto de máxima transferência de potência depende tanto da tensão como da

corrente, como representado na Figura 2.7, e da radiação solar, como mostrado na Figura 2.8.

Consequentemente, é necessário o uso de algoritmos de procura do ponto de máxima

transferência de potência e de um sistema de armazenamento de energia, de modo a se tirar o

máximo de proveito desta fonte.

Figura 2.7 – Ponto de máxima transferência de potência [13].

Figura 2.8 – Dependência do ponto máximo de transferência com a radiação solar [13].

Algumas das desvantagens desta tecnologia prendem-se com as suas limitações físicas,

nomeadamente a impossibilidade de alimentação à noite, o que implica o uso de baterias, e a

baixa eficiência de conversão de energia. A utilização em meios como as florestas requer uma

9

boa escolha ou manipulação do local, de modo a permitir o acesso à luz solar, e a necessidade

de acesso para permitir a limpeza da superfície dos painéis, o que pode ser complicado em

lugares remotos [5] [6].

2.2.2.2. Eólico

Sistemas eólicos são extensivamente usados para a produção de energia em grandes e

médias escalas, nomeadamente para redes elétricas e em pequenas aplicações móveis, por

exemplo em embarcações. Para o uso em redes de sensores sem fios esta fonte de energia é

adequada para sensores terrestres ou flutuantes. Estes podem ser colocados em ambientes

remotos, como florestas, montanhas, rios, lagos e superfícies oceânicas.

A quantidade de potência mecânica disponível numa turbina eólica é dada por [15] [16]:

𝑃𝑤 =

1

2𝜌𝐴𝑣3 (2.1)

onde A é a área da turbina apresentada ao vento, v a velocidade do vento e ρ é a densidade do

ar.

A potência elétrica é dependente do coeficiente de potência, Cp, da eficiência do sistema

de transmissão de energia, ηt e da eficiência do gerador, ηg. Esta relação é dada por [15]:

𝑃𝑒 = 𝜂𝑡𝜂𝑔𝐶𝑝𝑃𝑤 (2.2)

O limite máximo para o valor de Cp é 59,3%, também conhecido como limite de Betz. Para

pequenas turbinas o valor de Cp é bem menor, devendo-se essa redução em grande parte às

perdas por fricção. Tipicamente uma turbina de pequena escala tem um Cp na ordem dos 10%-

30% [5] [16] [17].

As turbinas eólicas podem ser classificadas de acordo com o seu eixo de rotação. Estas

podem ser turbinas de eixo horizontal e ou de eixo vertical. No primeiro tipo, o eixo de rotação

é paralelo ao solo e deve estar constantemente apontado na direção do vento. Este é o tipo mais

comum e mais usado em aplicações de grande dimensão. O segundo tipo, de eixo vertical, não

é tão eficiente como o de eixo horizontal, mas é mais usado em pequena escala e tem algumas

vantagens em algumas situações. Estes sistemas são, em geral, mais simples de construir, são

omnidirecionais e respondem mais rapidamente a variações bruscas de direção do vento. Estas

turbinas podem ainda ser subdivididas em turbinas que usam forças de sustentação, como a

forma das asas da turbina Darrieus, ou turbinas que usam forças de arrasto, como os

semicilindros das turbinas Savonious. Exemplos de uma turbina de eixo horizontal e de duas

turbinas de eixo vertical são apresentados na Figura 2.9 [15] [16] [17].

Figura 2.9 – Exemplo de uma turbina de eixo horizontal e de duas turbinas de eixo vertical [17] [15].

10

A energia eólica por natureza é imprevisível. Isto implica que a potência disponível pode

variar rapidamente, podendo mesmo deixar de existir durante períodos longos. Isto implica o

uso de baterias de grande capacidade. A melhor forma de se aproveitar este recurso consiste em

usar esta energia para suplementar a captação de energia de outras fontes, como a solar [7].

2.2.2.3. Hídrico

Os sistemas hidroelétricos baseiam-se na captura da energia da água em movimento e são

uma das formas mais antigas para gerar energia em média e grande escala, na ordem dos kW a

MW. A tecnologia por trás da geração de energia hidroelétrica em grande escala está bem

estabelecida. Para fins de alimentação de sistemas de pequena escala, na ordem de alguns W,

há poucos sistemas, sendo estes em geral sistemas improvisados ou uma miniaturização direta

de sistemas de grande escala [5] [7].

Os sistemas hídricos de pequena escala encontrados na bibliografia são os apresentados em

[16], [15], [18] e [19]. O sistema apresentado em [18] é composto por tiras que, por efeito do

movimento da água, turbulência e da sua forma, criam eletricidade devido à deformação dos

materiais piezoelétricos, sendo este sistema representado na Figura 2.10.

Figura 2.10 – Energy Harvesting Eel [18].

Os sistemas apresentados em [15] e [19] são mais convencionais e baseiam-se no uso de

pequenas turbinas em linha com uma conduta de água. O sistema em [19], apresentado na

Figura 2.11, é feito à medida, tendo como função principal alimentar um contador de água

inteligente.

Figura 2.11 – Turbinas para captação de energia para contadores inteligentes [19]: (a) representação virtual

do sistema, (b) protótipo físico.

11

O sistema apresentado em [15] usa um gerador hídrico como uma de três fontes de energia

para o sistema, sendo um gerador desenvolvido e patenteado pela Vulcano para alimentar um

esquentador inteligente. Nesse trabalho, o gerador é colocado em linha com um sistema de

irrigação, como mostra a Figura 2.12. A saída elétrica é de corrente contínua.

Figura 2.12 – Micro turbina hídrica [15].

O sistema apresentado em [16] é ainda mais convencional. Este usa duas turbinas que são

normalmente encontradas em sistemas hídricos de grande escala, uma turbina Pelton e uma

turbina Propeller, para gerar energia para alimentar um sensor sem fios convencional. As

turbinas encontram-se representadas na Figura 2.13.

Figura 2.13 – Micro turbina Pelton e micro turbina Propeller [16].

Dos sistemas indicados somente os apresentados em [16] referem diretamente a sua

eficiência, e o apresentado em [19] indica alguns parâmetros que permitem calcular a eficiência.

Os restantes não fornecem informação suficiente para a calcular.

Segundo [16] a eficiência de um sistema Pelton de pequena dimensão varia entre os 1,7%

e os 29,5%. Por sua vez o sistema Propeller tem uma eficiência que varia entre os 4,3% e os

5,5%.

Em [19] tem-se que, com um caudal de 20 l/min e uma queda de pressão de 2,2 bar, é

obtida uma potência de 720 mW. Estes valores podem ser convertidos em m3/s e em metros de

altura piezométrica, obtendo-se um caudal igual a 0,00033m3/s e uma queda útil de 22,44 m.

Tem-se, então, uma potência hídrica disponível de 72,57 W e uma eficiência de 1%.

2.2.3. Reguladores de tensão DC/DC

As fontes de energia renováveis tendem a ser variáveis no tempo, apresentam níveis de

tensão inadequados para a carga e funcionam no seu ponto máximo apenas em condições

específicas. Para ser obtido o máximo de eficiência no carregamento de baterias e na

alimentação de circuitos são usados reguladores de tensão, sendo que estes podem ser lineares

ou comutados. Estes dispositivos são colocados entre a fonte de energia, que pode variar de

12

forma arbitrária, e a carga. Como toda a energia passa pelo circuito de regulação este deve

introduzir o mínimo possível de perdas [20] [21].

Os reguladores lineares controlam a tensão à saída, reduzindo-a, dissipando a diferença de

tensão sob a forma de calor. São dispositivos ou circuitos relativamente simples, baratos,

pequenos, leves, com baixo ruído e boa resposta a variações de tensão da entrada. No entanto

são relativamente ineficientes, na ordem dos 20% a 60%. Em especial, para diferenças elevadas

de tensão, estão limitados a baixas potências, baixas tensões, só têm a capacidade de reduzir a

tensão de entrada, só é possível criar reguladores não inversores e para a conversão AC-DC é

necessário transformadores de baixas frequências, que tendem a ser grandes e pesados. Estes

reguladores são particularmente úteis para suavizar a tensão à saída de um regulador comutado

ou quando a eficiência é secundária relativamente à complexidade e custo de implementação

[20] [22]. Na Figura 2.14 são representados dois tipos de reguladores lineares, o regulador em

série e o regulador shunt. Um exemplo de um componente regulador linear muito popular é o

LM317 e a família de reguladores fixos 78xx.

Figura 2.14 – Exemplos de duas topologias de reguladores lineares [22].

Os reguladores comutados conseguem regular a tensão de saída de uma forma elevatória

ou redutora, com um mínimo de perdas. Isto é conseguido usando-se componentes de

comutação que trocam rapidamente entre o estado ligado e desligado, perdendo o mínimo de

energia no estado intermédio, de forma a criar uma onda quadrada de alta frequência que por

sua vez passa por componentes de filtragem. Outra forma de ver um regulador de tensão

comutado consiste em considerar as comutações como uma forma de deslocar os componentes

de armazenamento temporário de energia, como condensadores e bobinas, pelo circuito de

forma controlada. Em geral, estes reguladores são baseados em quatro topologias básicas,

nomeadamente os reguladores redutor, elevador, redutor-elevador e conversor Cûk,

representados na Figura 2.15. O uso de frequências de comutação elevadas permite o uso de

elementos indutivos mais pequenos, reduzindo, desta forma, o custo e a dimensão geral do

regulador. Isto é vantajoso em aplicações onde o espaço e o peso são importantes. A

desvantagem do uso de altas frequências é o facto dos reguladores comutados serem fontes de

ruído eletromagnético [20] [22] [23] [24].

13

Figura 2.15 – Exemplos de reguladores DC-DC básicos [23]: a) Conversor redutor; b) Conversor elevador;

c) conversor elevador-redutor; d) conversor elevador-redutor Cûk.

O resultado final é uma saída de tensão contínua com um ripple característico e dependente

da carga, da escolha de componentes e da frequência de comutação [20] [24].

As formas de onda caraterísticas de cada regulador podem ser consultadas no Anexo B.

Um exemplo de um regulador comutado simples é o regulador redutor, também conhecido

como buck. Neste caso a tensão média de saída é inferior à tensão de entrada, sendo o circuito

comum para esta topologia o apresentado na Figura 2.16 [25].

Figura 2.16 – Topologia buck [25].

A função de transferência do conversor redutor em modo não lacunar e sem perdas é dada

por:

𝑉𝑜

𝑉𝑖= 𝐷 (2.3)

com Vo a tensão de saída do regulador, Vi a tensão de entrada e D o fator de ciclo da onda de

controlo do elemento de comutação.

Esta topologia tem como vantagens uma eficiência alta, simplicidade, baixo stress no

elemento comutador, capacidade de lidar com curto circuitos na carga e baixo ripple na tensão

de saída. Algumas das desvantagens são a corrente de entrada pulsada, que pode causar

interferência eletromagnética (implicando o uso de um filtro de entrada), a possibilidade de

destruir a carga devido a sobretensão (caso o elemento comutador falhe e fique em modo de

condução), a exigência que o condensador de saída tenha uma resistência parasita muito baixa

(de forma a reduzir o ripple da tensão de saída) e o facto de exigir um elemento comutador não

referenciado à massa [22] [24] [25].

14

Um outro conversor comutado simples é o conversor elevador, conhecido também por

boost. A sua topologia é apresentada na Figura 2.17.

Figura 2.17 – Topologia boost [25].

A função de transferência desta topologia é dada por:

𝑉𝑜

𝑉𝑖=

1

1 − 𝐷 (2.4)

As vantagens desta topologia são a sua simplicidade, grande eficiência, ter o elemento

comutador referenciado à massa e ter baixo ripple de corrente de entrada. As desvantagens são

a fraca capacidade de evitar que transitórios perigosos cheguem à carga, os picos elevados de

corrente que causam elevado stress nos elementos de comutação, a grande sensibilidade a

variações de fator de ciclo, o elevado ripple de corrente na saída, a necessidade de existir uma

carga, visto que sem esta a tensão do condensador de saída vai aumentando até este se danificar

e a impossibilidade de lidar com curto circuitos na carga e sobrecargas [22] [24] [25].

Caso seja necessário obter tensões de saída que sejam superiores ou inferiores à tensão de

entrada é usada a topologia redutora-elevadora, também conhecida por buck-boost. Esta é

apresentada na Figura 2.18.

Figura 2.18 – Topologia buck-boost [25].

A função de transferência desta topologia é dada por:

𝑉𝑜

𝑉𝑖= −

𝐷

1 − 𝐷 (2.5)

É de notar que a tensão de saída é invertida relativamente à tensão de entrada.

As vantagens do regulador redutor-elevador são a sua simplicidade, a capacidade de

inverter a tensão de entrada sem o uso de transformadores e a capacidade de responder a curto-

circuitos e sobrecargas. As desvantagens passam por ter um elemento comutador não

referenciado à massa, existirem correntes pulsantes de entrada e de saída que aumentam a

quantidade de interferência eletromagnética e o ripple da tensão de saída e existir uma tensão

de saída inversa indesejável em certos casos [21] [22] [24] [25].

15

Em todos estes sistemas há um dos lados cuja corrente é pulsante. Este fenómeno reduz a

vida útil de uma bateria e emite ruído eletromagnético que pode ser inadequado para a

aplicação. Consequente, é desejável reduzir ao máximo esse ripple. A topologia Cûk aparece

como uma solução, estando esta representada na Figura 2.19. Esta pode ser vista como a

combinação de um conversor elevador seguido de um conversor redutor separados por um

condensador de armazenamento intermédio [21] [25].

Figura 2.19 – Topologia Cûk [25].

A função de transferência desta topologia é igual à do regulador redutor-elevador e é dada

por:

𝑉𝑜

𝑉𝑖= −

𝐷

1 − 𝐷 (2.6)

A principal vantagem deste conversor resulta da redução do ripple de entrada e de saída

devido ao uso das indutâncias em série com a entrada e com a saída, que fazem com que a

corrente não seja pulsada. Desta forma, é fortemente reduzida a emissão de ruído

eletromagnético. Como o ripple é menor torna-se também possível reduzir a dimensão dos

componentes de filtragem e, dessa forma, reduzir a dimensão e custo do conversor. A eficiência

desta topologia também tende a ser melhor do que a de um redutor-elevador tradicional, como

se pode verificar na Figura 2.20 [21] [24] [25].

Figura 2.20 – Ganho em relação ao fator de ciclo de um regulador buck-boost e de um regulador Cûk [21].

É de notar que em qualquer conversor com capacidade redutora-elevadora o ganho de

tensão não é fisicamente infinito. Este sobe até um valor limite e depois decresce rapidamente

à medida que o fator de ciclo se aproxima de 1 [21].

Algumas das desvantagens desta topologia são a necessidade de se utilizarem elementos

comutadores que suportem uma corrente igual à soma da corrente de entrada com a corrente de

saída, maior quantidade e complexidade de componentes, a inversão da tensão de saída e a

16

necessidade de um condensador de transferência que suporte o elevado ripple de corrente e

tenha poucas perdas [21] [24] [25].

Existem várias formas de reduzir o ripple de saída do conversor Cûk, sendo a mais comum

a que passa por aumentar a frequência de comutação, visto que o ripple da tensão de saída é

inversamente proporcional ao quadrado da frequência de comutação. Tendo em conta que há

limites práticos e físicos para a frequência de comutação, torna-se necessária uma aproximação

alternativa. Outro método para reduzir o ripple consiste no uso de indutores acoplados, ou seja,

as bobinas do conversor passam a usar o mesmo núcleo magnético e o mesmo número de

enrolamentos, fazendo com que a indutância efetiva vista da entrada e da saída seja o dobro,

causando uma redução do ripple da tensão para metade. Afinando esse rácio é possível remover

por completo o ripple da saída. Esta topologia e as ondas caraterísticas são mostradas na Figura

2.21 [21] [25] [26].

Figura 2.21 – Topologia Cûk com indutores acoplados [20].

Uma extensão desta topologia implica o uso de um transformador de isolamento. Se este

for incorporado no mesmo material magnético das bobinas tem-se o conversor Cûk com

magnetismo incorporado apresentado na Figura 2.22 com as curvas caraterísticas de corrente

de entrada e saída [20] [24] [26] [27].

Figura 2.22 – Topologia Cûk com magnetismo incorporado [27].

É de notar que nesta variante é possível obter a condição de ripple nulo tanto na entrada

como na saída, um rácio fixo de ganho no transformador de isolamento diferente de 1, uma

redução da dimensão geral e a possibilidade de reorientar a saída de forma a não ficar invertida

em relação à entrada [20] [21] [25] [26].

17

Na Figura 2.23 é apresentado um exemplo dos elementos magnéticos do conversor

bobinados num só núcleo magnético e inseridos no circuito.

Figura 2.23 – Exemplo da topologia Cûk com magnetismo incorporado [21].

2.3. Sistemas hídricos

Nesta secção serão abordadas as propriedades físicas da água, de modo a permitir perceber

os fenómenos que têm influência sobre as turbinas hídricas abordadas neste trabalho. Serão

também abordadas as equações que governam a escolha e o desenho das turbinas hídricas.

2.3.1. Propriedades físicas de fluidos

Do ponto de vista da mecânica dos fluidos toda a matéria consiste em apenas dois estados:

fluido e sólido. A diferença entre estes reside na resistência a forças de cisalhamento ou stress

tangencial. Um sólido consegue resistir a estas forças enquanto um fluido move-se e deforma-

se facilmente com uma quantidade mínima de força. Um fluido só está em repouso quando está

num estado de stress tangencial nulo [28] [29].

Um fluido, por sua vez, pode ser classificado como gases e líquidos. Um líquido é

composto por moléculas próximas umas das outras, juntas através de fortes forças de coesão.

Este tende a reter o seu volume e irá formar uma superfície livre se for sujeito a uma força

gravítica e não estiver confinado por cima. Por sua vez um gás é composto por moléculas

espaçadas com forças de coesão negligenciáveis. Consequentemente, este é livre de se expandir

até encontrar uma barreira intransponível. Um gás não tem volume definido e quando deixado

sem confinamento tende a criar um meio hidrostático [28] [29].

Existem casos particulares de sólidos, como o asfalto, que se comportam como líquidos,

líquidos que se comportam como sólidos até serem sujeitos a forças tangenciais fortes e

misturas de gases e líquidos no mesmo fluido, como no caso da água com bolhas de ar presas

[28].

As propriedades mais importantes a ter em conta dos fluidos são a sua massa volúmica,

peso volúmico, compressibilidade e viscosidade.

Para definir o peso e a massa de uma unidade de fluido são usados os valores de peso

volúmico e a massa volúmica, representados, respetivamente, pelos símbolos γ e ρ. A massa

volúmica também é conhecida como densidade de um fluido. γ pode ser obtido através de ρ

através de:

𝜌 = 𝛾 × 𝑔 (2.7)

18

com g sendo a aceleração da gravidade [29] [30].

Para a água a uma temperatura de 4 ºC estes parâmetros apresentam os seus valores

máximos, dados por ρ = 1000 kg/m3 e γ = 9800 N/m3. A densidade relativa ou gravidade

específica é tida como o rácio da massa volúmica do fluido relativamente à massa volúmica da

água e é definida pelo símbolo δ. Estes valores não variam substancialmente em fluidos não

compressíveis, como a água [28] [30].Um fluido compressível reduz o seu volume quando

exposto a uma pressão externa. Em geral, os líquidos são considerados fluidos não

compressíveis [28].

A viscosidade é uma propriedade de qualquer fluido real resistir a forças de deformação.

Um fluido muito viscoso, como óleo ou mel, vai resistir a forças externas, enquanto que a água

ou o álcool se deformam facilmente. A unidade para o coeficiente de viscosidade é o μ, o qual

é dependente da temperatura e da pressão. A viscosidade de um líquido diminui com o aumento

da temperatura. A viscosidade é um fator de bastante interesse em sistemas hídricos, uma vez

que o movimento de líquidos viscosos numa conduta fechada causa o aparecimento de forças

resistentes a esse movimento e, consequentemente, isto traduz-se em perdas de energia e numa

redução de eficiência global [28] [29] [30].

Um último fator a ter em conta quando é desenvolvido qualquer sistema hídrico é a tensão

de saturação do vapor de um líquido. Quando a pressão a que o líquido está sujeito desce abaixo

de um determinado valor para uma determinada temperatura este entra em ebulição. Quando

isto acontece aparecem bolsas de vapor que podem interferir com o bom funcionamento do

sistema [28] [30] [31].

Um fator muito importante para determinar se um fluido se encontra em fluxo laminar ou

fluxo turbulento é o número de Reynolds. Este é calculado através de [30]:

𝑅𝑒 =

𝜌𝑣𝑙

𝜇 (2.8)

em que v é a velocidade do fluido em m/s e l é o comprimento da conduta em m.

A transição entre regime turbulento e laminar acontece para valores na ordem de 2000.

Fluxos com valores abaixo deste valor tendem a ser laminares, sendo que nesse regime os

efeitos da viscosidade se sobrepõem aos efeitos cinéticos. Para valores acima o fluxo tende a

ser turbulento, o que implica o aparecimento de flutuações aleatórias do módulo, direção e

sentido da velocidade. Na Figura 2.24 está representado um exemplo destes fenómenos.

Figura 2.24 – Fluxo laminar e fluxo turbulento [30].

Um fluxo turbulento permite uma maior homogeneidade da velocidade média dentro de

uma conduta e uma menor influência da viscosidade relativamente aos efeitos cinéticos.

Exemplos da distribuição das velocidades dentro de uma conduta são apresentados na Figura

2.25 [28] [29] [30].

19

Figura 2.25 – Perfil da distribuição de velocidades num fluxo turbulento e evolução do perfil da velocidade

média num fluxo laminar e num fluxo turbulento [29] [30].

2.3.2. Classificação das turbinas

Uma turbina hídrica é um dispositivo mecânico que converte a energia cinética de um

líquido, normalmente água, em energia rotacional. Esta, por sua vez, é usada em máquinas

mecânicas rotativas ou convertida em energia elétrica através de um gerador. As turbinas

hídricas podem ser divididas em dois grupos: as turbinas impulsionais e as reativas [29] [32]

[33].

Uma turbina impulsional converte a energia cinética de um jato de água de alta velocidade

em energia mecânica. Estas turbinas são muito adequadas para baixos caudais e altas quedas.

Como exemplo destas têm-se as turbinas Pelton, apresentadas na Figura 2.26 [29] [32] [33].

Figura 2.26 – Sistema típico de turbina Pelton [32] [34].

A turbina reativa usa a ação combinada da energia de pressão e da energia cinética da água

de forma progressiva. Esta família pode ser sucessivamente dividida em vários tipos de

turbinas, nomeadamente as turbinas radiais, mistas e axiais. As radiais são usadas em quedas e

caudais moderados, as axiais em quedas baixas com muito caudal e as mistas em situações

intermédias. Alguns exemplos destas são as turbinas radiais Francis e as turbinas axiais

Propeller, apresentadas na Figura 2.27 e Figura 2.28, respetivamente. Um exemplo de

instalação encontra-se esquematizado na Figura 2.29 [29] [32] [33].

20

Figura 2.27 – Sistema de turbina Francis [32] [34].

Figura 2.28 – Sistema de turbina Propeller [32] [34].

Figura 2.29 – Instalação típica de uma turbina de reação [32].

O método de orientação do eixo de cada uma destas turbinas depende da localização, da

aplicação e da escolha de diversas opções, como o uso de múltiplos injetores que fazem com

que uma turbina Pelton deixe de ser usada com eixo horizontal e passe a ser montada com eixo

vertical [30].

21

2.3.3. Propriedades gerais das turbinas

Existem várias propriedades que são gerais para todas as turbinas e ajudam a escolher a

mais adequada para a situação, sendo uma destas a velocidade específica. Esta é uma grandeza

adimensional, muito útil, definida através de [29] [30] [35]:

𝑛𝑆 =

𝑁√𝑃

√𝜌(𝑔𝐻)54

(2.9)

em que P é a potência em watts, H a queda em metros, g é a aceleração da gravidade em m/s2,

ρ é a densidade da água em kg/m3 e N é a velocidade de rotação em rotações por segundo. Visto

que g e ρ são constantes é prática comum omitir estes parâmetros e ficar com [29] [30] [36]:

𝑁𝑆 =

𝑁√𝑃

𝐻54

(2.10)

sendo que o valor obtido através desta equação não é adimensional. A partir do valor de NS é

possível escolher uma turbina através da Tabela 2-1 [29].

Tabela 2-1 – A melhor escolha de turbina de acordo com a velocidade específica [29]

Velocidade especifica dimensional em

unidades SI.

Tipo de turbina com melhor eficiência para

estes valores

8-29 Turbina Pelton com um jato

26-40 Turbina Pelton com duplo jato

40-67 Turbina Pelton com múltiplos jatos

67-450 Turbina de fluxo radial tipo Francis (H<350m)

364-910 Turbina de fluxo axial tipo Kaplan (H<60m)

Na Figura 2.30 é apresentado um gráfico onde se observa a influência da velocidade

específica na eficiência de cada tipo de turbina.

Figura 2.30 – Variação da eficiência com a velocidade específica [29].

Tendo em conta que P, Q e H estão relacionados por [29] [35]:

𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 (2.11)

com Q o caudal em m3/s.

22

O domínio das turbinas puramente radiais, como as turbinas Pelton, são as altas quedas e baixo

caudal. O domínio das turbinas axiais, como as turbinas Kaplan e Propeller, são as baixas

quedas e alto caudal, e o espaço intermédio é o domínio das turbinas mistas como as turbinas

Francis [30]. A zona de operação de cada turbina encontra-se representada na Figura 2.31.

Figura 2.31 – Domínio de aplicação das diferentes turbinas [30].

Uma equação muito importante é a da continuidade, sendo definida por:

𝑄 = 𝑈1𝐴1 = 𝑈2𝐴2 (2.12)

em que U1 e A1 são a velocidade e a área de uma secção arbitrária da tubagem e U2 e A2 são a

velocidade e a área de outra secção arbitrária da tubagem. Esta equação indica que, num

escoamento de um líquido não compressível, o caudal é sempre constante independentemente

da variação do diâmetro da conduta. Isto implica que se houver um estreitamento do canal a

velocidade do líquido aumenta e vice-versa. Isto permite calcular a velocidade do fluido em

vários pontos de um canal e os seus efeitos.

A potência presente numa secção de um canal hídrico é dada por [36]:

𝑃𝑒 = 𝛾𝑄𝐻 (2.13)

em que γ é o peso volúmico da água em N/m3.

A queda bruta entre dois reservatórios é dada pela diferença de altura entre a superfície do

líquido num reservatório, a jusante, e a superfície do outro reservatório, a montante [30]:

𝐻𝑡 = 𝑍𝑚 − 𝑍𝑗 (2.14)

Como há perdas pelo caminho, relacionadas com a superfície da tubagem, curvas e

estreitamentos, a queda útil é dada por [30]:

𝐻𝑡 = 𝑍𝑚 − 𝑍𝑗 − ∆𝐻 (2.15)

em que ΔH é a perda da queda.

A eficiência de uma turbina hídrica, η, é dada por:

𝜂 =

𝑃

𝛾𝑄(𝐻𝑒 − 𝐻𝑠)=

𝑃

𝛾𝑄𝐻𝑢 (2.16)

23

ou [36]:

𝑃 = 𝜂𝛾𝑄𝐻𝑢 (2.17)

em que Hu é a queda útil, também conhecida por queda efetiva, He. Na Figura 2.32 são definidos

graficamente estes valores.

Figura 2.32 – Alturas relativas a uma instalação de uma turbina [30].

As equações de dimensionamento de sistemas hídricos apresentam uma boa aproximação

à realidade. No entanto, devido a variações imprevistas nas variáveis é possível que ocorra um

mau dimensionamento. De modo a evitá-lo, são realizados testes com modelos. Um modelo à

escala real pode custar muito dinheiro, pelo que, geralmente, são aplicadas as leis de

similaridade. Estas implicam que se uma turbina de tamanho menor for geometricamente e

dinamicamente semelhante, então os resultados obtidos nos testes podem ser aplicados à turbina

maior. Duas turbinas são geometricamente semelhantes se a única diferença física entre as duas

for a escala. Os ângulos, o número de baldes, as lâminas das hélices e as lâminas das diretrizes

devem ser iguais nas duas turbinas. O acabamento da superfície também deve ser semelhante.

A semelhança dinâmica advém da igualdade dos rácios das forças em cada ponto da

turbomáquina para as duas máquinas.

Esta lei da similaridade tem as suas limitações, visto que, à medida que a diferença de

escala vai crescendo, crescem também as perdas devido às forças viscosas, visto que estas não

mudam a sua dimensão. Há também a dificuldade acrescida de equalizar o acabamento das

superfícies, tornando-se impossível em certos casos. Os modelos à escala tendem também a

comportar-se de maneira diferente relativamente a fenómenos de cavitação. Consequentemente,

os modelos feitos à escala tendem a ter um rendimento inferior.

2.3.4. Turbina Pelton

A turbina Pelton é normalmente usada em grandes quedas e baixos caudais, ou seja, é uma

turbina com uma velocidade específica baixa. Neste caso, um, ou mais jatos, aplicam, de uma

forma tangencial ao diâmetro D, um jato focado de água contra os baldes, feitos de um material

resistente e polido, presos ao longo da periferia de uma roda. Este tipo de sistema está

representado na Figura 2.33 [29] [30] [37].

24

Figura 2.33 – Turbina Pelton [30].

De forma a maximizar a captação da energia cinética do jato, a velocidade relativa da água

à saída dos baldes deve ser muito próxima de zero. Para ajudar a criar esta situação os baldes

devem ter a forma de duas meias elipsoides, com uma lâmina central que permite à água

transmitir o máximo da sua energia cinética de forma progressiva, como pode ser observada na

Figura 2.34 [29] [30].

Figura 2.34 – Turbina Pelton típica e velocidades caraterísticas [31].

Na figura, U representa a velocidade absoluta tangencial do balde, C1 é a velocidade

absoluta do jato, C2 é a velocidade absoluta da água à saída do balde, W1 e W2 são,

respetivamente, a velocidade do jato e da água à saída do balde relativamente ao balde.

Idealmente o ângulo β2 deveria ser de 180º para a máxima transferência de energia. No

entanto, na realidade esse valor é 165º, para impedir a interferência da água com os outros

baldes, fazendo com que esta se escoe pelos lados [29] [37].

O controlo do caudal é feito usando uma válvula de lança, como é apresentado na Figura

2.35.

Figura 2.35 – Válvula de lança [31].

A quantidade de baldes ou colheres recomendada é calculada através de [29] [38]:

𝑍 = (𝐷 2𝑑⁄ ) + 15 (2.18)

sendo D o diâmetro do rotor e d o diâmetro do jato, como representado na Figura 2.33.

25

Este deve ser um valor suficientemente elevado de forma a evitar vibrações devido às

variações de força no rotor, fenómeno observável na Figura 2.36, mas suficientemente baixo de

forma a manter baixa a complexidade do sistema.

Figura 2.36 – Forças na turbina e nos baldes [36].

As restantes dimensões dos baldes podem ser obtidas através da Figura 2.37.

Figura 2.37 – Dimensões do balde da turbina [29].

Todas as dimensões são dependentes do diâmetro do injetor ou da roda da turbina,

verificando-se as relações apresentadas na Tabela 2-2.

Tabela 2-2 – Rácio das dimensões [29]

D/d B/d L/d T/d Largura do recorte

14-16 2,8-4 2,5-2,8 0,95 1,1d+5mm

Os ângulos típicos do escape da água e da colher relativamente ao raio, para uma turbina

com 24 baldes, são apresentados na Figura 2.38.

Figura 2.38 – Valores típicos para os ângulos [36].

26

A velocidade teórica do jato é dada por [31]:

𝑉1 = √2𝑔𝐻𝑢 (2.19)

Uma velocidade mais realista é dada por [29] [37]:

𝑣 = 𝐶𝑣√2𝑔𝐻𝑢 (2.20)

em que Cv é o coeficiente de velocidade do jato que varia entre 0,98 e 0,99 [29].

O rácio entre a velocidade dos baldes e a velocidade do jato é dado pelo fator de velocidade

[36]:

𝛷 = 𝑈 𝑣⁄ (2.21)

O ponto de maior transferência de energia ocorre, teoricamente, quando Φ é igual a 0,5,

sendo que na realidade tal ocorre aproximadamente para 0,45 [29] [34].

Figura 2.39 – Eficiências em função do rácio de velocidade de uma turbina Pelton [34].

O rácio D/d tem valores ótimos quando [36]:

(𝐷 𝑑⁄ ) = (206 𝑁𝑠⁄ ) (2.22)

em que NS é a velocidade específica não adimensional.

As perdas num sistema Pelton advêm dos acabamentos da turbina, dos compromissos

geométricos, das perdas de queda no bucal do jato, das perdas por atrito no canal e das perdas

viscosas no canal [34].

A curva de eficiência de um sistema Pelton é relativamente plana em relação à carga

imposta sobre o eixo [34].

Figura 2.40 – Eficiência em função da carga [34].

Para garantir uma máxima eficiência deve haver um ajuste da velocidade do jato em relação

à velocidade tangencial da turbina. A dependência entre a velocidade tangencial, U, e a

velocidade angular, N, em rotações por minuto é dada por [29]:

27

𝑈 =

𝜋𝐷𝑁

60 (2.23)

Pela equação (2.13) tem-se que a única forma de regular a potência é manipulando o caudal.

Como a velocidade do jato é somente dependente da queda, isto implica que a área do jato deve

ser modificada. Se a saída do jato tiver uma área constante e não manipulável, então a única

forma de regular o caudal consiste em colocar perdas de queda pelo percurso, sob a forma de

válvulas.

2.3.5. Turbina Francis

A turbina Francis ocupa a gama intermédia de utilização, representado na Figura 2.31, e

pode ser adaptada para um largo espectro de quedas e caudais, simplesmente mudando a sua

geometria. Um exemplo desta flexibilidade é apresentado na Figura 2.41. Consequentemente,

é uma turbina muito usada em grandes aplicações [29] [30].

Figura 2.41 – Rodas de turbinas Francis típicas, de acordo com a sua velocidade específica [30]

A turbina é colocada num involucro em espiral com lâminas de guia que adicionam uma

componente rotacional ao fluxo e controlam o caudal [37]. O sistema encontra-se representado

na Figura 2.42.

Figura 2.42 – Turbina Francis típica [29]

Esta turbina é pouco comum para microprodução de energia visto ter uma geometria

complexa, o que implica uma maior dificuldade de a fabricar a essa escala [39].

28

2.3.6. Turbina Propeller/Kaplan

Para quedas baixas e caudal elevado é adequado o uso de turbinas puramente axiais. As

duas turbinas mais populares, desta categoria, são a Kaplan e a Propeller. A turbina Kaplan

tem lâminas que podem ser orientadas dinamicamente, enquanto na turbina Propeller as

lâminas são fixas. A principal vantagem de se poderem orientar as lâminas é a capacidade de

se manter uma velocidade de rotação constante, independentemente da velocidade da água. Se

um sistema for instalado num local onde a queda e a carga são relativamente constantes é mais

vantajoso usar turbinas Propeller. Para controlar o caudal e criar um vórtice para ajudar na

rotação da turbina, remover o choque de entrada e remover as componentes tangenciais do fluxo

à saída da turbina, são usadas lâminas de guia na entrada, como representado na Figura 2.43

[29] [39]

Figura 2.43 – Sistema de turbina Propeller ou Kaplan [39].

Na Figura 2.44 observa-se que a gama de eficiência é estreita para as turbinas Propeller,

com hélices e guias de fluxo fixas.

Figura 2.44 – Eficiência em função da percentagem da potência dimensionada [34].

Isto implica que o sistema de controlo de carga e o sistema de admissão da água devem ser

bem dimensionados para permitir a captura da potência máxima.

29

As hélices em sistemas de grande escala têm uma forma torcida para permitir compensar

os fenómenos de diferença de velocidade tangencial em relação à axial. Para sistemas de menor

custo ou menor tamanho é possível e comum usar turbinas sem este cuidado. No entanto, haverá

sempre uma perda associada à qualidade do material e à escolha da geometria [34] [39].

Nestas turbinas a água sai ainda com muita da sua energia cinética. Se esta for despejada

diretamente para o ar há uma perda de queda total do sistema que pode chegar aos 45% da

queda real. Para mitigar esse efeito e capturar alguma dessa energia é criada uma pressão

negativa junto à turbina, usando um tubo de sucção a jusante desta. Este pode ter um diâmetro

constante, mas é mais comum e adequado usar uma tubagem com um ângulo de expansão que

permite converter ainda mais energia cinética em energia de pressão. Alguns exemplos do tubo

de sucção estão representados na Figura 2.45 [29] [35].

Figura 2.45 – Formas típicas de tubos de sucção [29]

A extremidade a jusante deve estar sempre dentro de água e a sua superfície não pode ser

porosa, ou seja, não deve permitir a entrada de ar.

No entanto, há limites no uso desta técnica. Um tubo de sucção muito longo pode provocar

um aumento de perdas por atrito na superfície e existe, também, um aumento na possibilidade

do aparecimento de fenómenos de cavitação junto da turbina, que podem provocar danos [35].

2.3.7. Perdas na conduta

Num líquido perfeito a percorrer uma conduta sem perdas tem-se que, à medida que o

líquido desce na conduta, a energia potencial é convertida em energia cinética, como é

representado na Figura 2.46 [30].

Figura 2.46 – Linha de energia num percurso de líquido ideal.

Define-se a linha piezométrica como sendo:

𝐿𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑧 + 𝑝

𝛾 (2.24)

30

em que p é a pressão nesse ponto e z é a altura física desse ponto.

Define-se também a linha de energia:

𝐿𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 =

𝑣2

2𝑔 (2.25)

em que v é a velocidade do liquido e g é a aceleração da gravidade.

Pelo teorema de Bernoulli tem-se:

𝑣2

2𝑔+ 𝑧 +

𝑝

𝛾= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (2.26)

que indica que a energia mecânica total por unidade de peso de líquido é constante ao longo de

cada trajetória [30]. Consequentemente quando o valor de z atinge zero a energia potencial

inicial é igual à energia cinética da água. A partir disto tem-se a fórmula de Torricelli definida

por:

𝑉𝑝 = √𝐻2𝑔 (2.27)

em que Vp é a velocidade de saída da água de um orifício com uma queda H, como representado

na Figura 2.47.

Figura 2.47 – Escoamento por um orifício.

Num sistema real há perdas de energia no percurso do líquido devido a fenómenos de atrito

nas superfícies do percurso, singularidades, como curvas e contrações, e devido a fenómenos

viscosos e turbulentos. Este fenómeno é representado pela linha de energia a descer na Figura

2.48

Figura 2.48 – Linha de energia num percurso de líquido real.

31

Isto implica que para considerar as perdas deve ser adicionada a componente de perda de

queda, HL, de forma a equilibrar os dois termos da equação de energia disponível:

𝑣2𝑚

2𝑔+ 𝑧𝑚 +

𝑝𝑚

𝛾=

𝑣2𝑗

2𝑔+ 𝑧𝑗 +

𝑝𝑗

𝛾+ 𝐻𝐿 (2.28)

com o índice m a representar o ponto a montante e j o ponto a jusante. É de notar que HL,

também conhecido por ΔH, é a perda de queda efetiva causada pelas caraterísticas físicas da

tubagem.

Na Figura 2.49 é apresentado um diagrama com as perdas singulares num percurso hídrico

Figura 2.49 – Perdas singulares num sistema hídrico.

Em cada ponto há uma perda de queda efetiva cujo valor é dado por [29]:

ℎ𝑙 = 𝐾𝑛

𝑣2

2𝑔 (2.29)

em que Kn é o coeficiente de resistência nesse ponto, dado a partir de [40], v é a velocidade do

líquido e g é a aceleração da gravidade. O fator Kn é independente do fator de fricção e do

número de Reynolds, e pode ser tratado como uma constante em qualquer condição de fluxo

[29].

A diferença de cotas entre os dois reservatórios da Figura 2.49 é igual à perda de carga na

tubagem, sendo dada por [30]:

𝑧1 − 𝑧2 = 𝐽𝐿 +

𝑣2

2𝑔(𝐾1 + 𝐾2 + 𝐾3 + 𝐾4) (2.30)

em que L é o comprimento da tubagem, v é a velocidade do líquido e J é a perda de carga

unitária no percurso da tubagem, ignorando as perdas pontuais, segundo a lei de resistência de

Gauckler-Manning que é dada por:

𝐽 = (

𝑄

𝐾𝐴𝑅2 3⁄)

2

(2.31)

em que Q é o caudal, K é a constante de atrito na superfície, A é a área e R é o raio hidráulico

da tubagem.

A partir disto tem-se que [30]:

𝑧1 − 𝑧2 = (

𝑄

𝐾𝐴𝑅2 3⁄)

2

𝐿 + 𝑄2

2𝑔𝐴2(𝐾1 + 𝐾2 + 𝐾3 + 𝐾4) = 𝛽𝑄2 (2.32)

32

ou

𝑄 = √𝑧1 − 𝑧2

𝛽 (2.33)

em que Q é o caudal, Z1 e Z2 são as cotas do nível da água a montante e a jusante,

respetivamente, e β é a soma total das perdas na conduta.

Uma boa aproximação de fluxos hídricos em condutas fechadas é um circuito eletrónico

onde o fator K é análogo à resistência elétrica, H à potência elétrica e v, em função do caudal Q

e da área A da conduta, à corrente que percorre o circuito [29].

2.4. Conclusão

Num mundo cada vez mais interconectado há cada vez mais a necessidade de se obterem

dados do mundo físico. A alimentação desses sistemas pode advir de várias fontes, como a

energia solar, a energia eólica ou a energia hídrica.

As fontes hídricas de grande escala têm uma grande capacidade de produção de energia.

Foram estudados os principais parâmetros de podem afetar a implementação de sistemas para

aplicações em baixa potência.

No dimensionamento das condutas e sistemas de captação de água aferiu-se o cuidado a

ter de modo a reduzir ao mínimo as perdas e otimizar o espaço ocupado pelo sistema.

Das turbinas apresentadas, as que mais mostram potencial para a alimentação de RSSF são

as turbinas Pelton e Propeller.

33

3. Desenvolvimento do sistema

Neste capítulo apresenta-se o dimensionamento de dois sistemas de captação de energia

hídrica, um sistema Pelton e um sistema Propeller, e o desenvolvimento dos mecanismos de

medição da potência mecânica, do sistema de conversão de energia mecânica em energia

elétrica, do mecanismo de medição de potência elétrica, do conversor de tensão para adaptar o

sistema de captura ao sistema de armazenamento e do sistema de controlo.

3.1. Requisitos do sistema

Pretendia-se dimensionar um sistema hídrico que tivesse uma potência elétrica na saída do

regulador de tensão na ordem dos 500 mW. Este valor foi escolhido por se encontrar dentro da

gama de potência requerida por um nó sensor sem fios, que era a carga que se pretendia

alimentar com o sistema hídrico a ser dimensionado.

O sistema de captação de energia hídrica devia ter o mínimo de perdas e ser o mais

compacto possível. Deviam também ser evitados reguladores comutados com correntes

pulsadas, de forma a reduzir os efeitos do ruído eletromagnético no sistema.

O diagrama do sistema é apresentado na Figura 3.1.

Figura 3.1 – Arquitetura do sistema desenvolvido.

O sistema está dividido em quatro blocos: o sistema hídrico, o sistema de conversão de

energia mecânica em energia elétrica, o sistema de armazenamento e regulação e o sistema de

controlo e comunicação. Os tipos de ligações necessárias estão representados por linhas de

preenchimento diferente.

Da esquerda para a direita tem-se a fonte hídrica, neste caso representando a captação de

água de uma fonte como uma levada ou uma ribeira, que transfere energia mecânica para a

turbina hídrica, passando por uma válvula. A turbina converte a energia cinética e de pressão

da água em energia mecânica rotacional que alimenta o gerador elétrico. Este converte a energia

mecânica em energia elétrica que é retificada e adaptada às necessidades do sistema de

armazenamento de energia através de um retificador e de um conversor comutado controlado

pelo sistema de controlo. O regulador linear converte o nível de tensão presente na bateria numa

tensão adequada ao restante sistema, nomeadamente 3,3 V. O controlo é feito usando um

módulo Arduíno Fio. Este lê a velocidade rotacional do gerador, a tensão da bateria, a corrente

34

de entrada na bateria e a corrente de saída. Com estes parâmetros, o programa no Arduíno

decide quando devem ser carregadas as baterias e qual o fator de ciclo mais adequado para o

conversor comutado. Neste sistema, o controlo de carga e o módulo XBee, a funcionar como

carga, são alimentados diretamente da bateria. Durante os testes o módulo XBee funcionou

como transmissor de informação relativo ao sistema de controlo de carga.

De modo a dimensionar adequadamente o sistema fez-se uma análise iterativa bidirecional,

ou seja, começou-se da direita, dimensionando o sistema de controlo e comunicação,

escolhendo uma solução de armazenamento de energia que suportasse o sistema durante um

tempo apreciável e escolheu-se o circuito de controlo de carga e de controlo do gerador, ou seja,

um regulador DC-DC comutado controlado. Após isto, passou-se para o dimensionamento a

começar da esquerda. Tendo a potência necessária para carregar o sistema de armazenamento,

as perdas esperadas do regulador DC-DC comutado e dos geradores, foram dimensionados os

dois sistemas hídricos, um para baixas quedas e grande caudal e um para grandes quedas e baixo

caudal. Os resultados deste dimensionamento serviram de base ao projeto dos geradores

elétricos.

3.2. Sistema de controlo central

De forma a simplificar o processo de programação e inserção dos nós numa rede de

sensores foi decidido usar um Atmega328p da Atmel, com o firmware Arduíno, presente numa

placa Arduíno Fio [41]. Este está representado na Figura 3.2.

Figura 3.2 – Arduíno Fio [41].

Algumas das vantagens desta placa são o conetor para módulos XBee, o regulador linear

de 3,3 V, a disponibilidade de inúmeras bibliotecas e uma capacidade de geração de sinais PWM

adequada às necessidades do regulador comutado.

Na Figura 3.3 é apresentado o diagrama de ligações entre o Arduíno Fio e os sensores

usados para o funcionamento do sistema.

Figura 3.3 – Sensores de tensão, corrente e magnetismo lidos pelo Arduíno Fio.

35

O sensor de tensão usa um circuito constituído por um AMPOP LM358 [42], numa

montagem Sallen-Key e um divisor resistivo. Esta permite filtrar o sinal de tensão, removendo

o ruído das comutações do conversor DC-DC, e protege as portas ADC do microcontrolador.

Esse circuito é apresentado na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Sensor de tensão.

Refira-se que este circuito permite ler duas tensões diferentes, através do conetor JP1 e do

conetor JP2, sendo o conetor JP3 uma ligação auxiliar na outra ponta da placa de circuito

impresso. Do lado direito tem-se o conetor JP4 com a alimentação de 3,3 V e os dois sinais

analógicos de saída.

Para medir a corrente é usado o circuito integrado MAX9929 [43], com uma resistência de

shunt adequadamente calculada. O circuito está apresentado na Figura 3.5.

Figura 3.5 – Sensor de corrente.

O MAX9929 cria uma tensão em OUT igual a 50 vezes a diferença de tensão entre os pinos

RS+ e RS-.

Foi decidido deixar espaço, na placa de circuito impresso, para duas resistências de shunt

em série, de forma a permitir uma maior flexibilidade na escolha das mesmas. O espaçamento

é tal que permite soldar somente uma resistência.

O sensor de Hall DRV5013 [44] foi montado na ponta de uma sonda impermeabilizada, que

por sua vez foi colocada no exterior do invólucro do gerador de modo a permitir medir a

velocidade de rotação do gerador. Esta montagem permite observar a existência de água, se a

turbina parou devido a uma carga excessiva ou alguma outra situação anómala. Um esquema

típico é apresentado na Figura 3.6.

36

Figura 3.6 – Esquema da ligação do sensor de Hall.

3.3. Comunicação

Para estabelecer a comunicação sem fios e servir de carga ao sistema foram escolhidos os

módulos XBee S2 da Digi International [45]. Estes são simples de trabalhar, programar,

funcionam bem em redes de sensores sem fios e estavam disponíveis no laboratório. Um destes

é representado na Figura 3.7, com um conetor RPSMA para ligação a uma antena externa.

Refira-se que estes módulos são relativamente simples de configurar, têm capacidades de

funcionamento em malha e consomem pouca potência.

Figura 3.7 – Módulo XBee S2.

As tramas típicas de comunicação dos módulos XBEE estão representadas na Figura 3.8.

Figura 3.8 – Tramas de transmissão e receção por XBEE.

37

No campo de dados é enviada uma subtrama de fácil interpretação, adaptação e expansão.

Um exemplo da sua composição é apresentado na Figura 3.9.

Figura 3.9 – Subtramas de envio e receção.

Esta subtrama começa com um ponto de interrogação. De seguida são encontrados os

campos de dados de cada sensor, separados por um “&”. Cada campo é constituído por um

indentificador do sensor, o símbolo de igual e os dados enviados, sob a forma de carateres

ASCII.

A trama completa usada para a captura de dados de funcionamento durante este trabalho

contém seis campos. Estes são o estado do sistema, o fator de ciclo, a tensão da bateria, a

corrente de entrada na bateria, a corrente de saída da bateria e o período de rotação.

3.4. Conversor comutado

A escolha do regulador comutado adveio da necessidade de existir o mínimo de

perturbações de corrente, tanto na entrada como na saída. Como tal, foi dimensionado um

regulador elevador-redutor Cúk, como apresentado na Figura 2.19. Este não apresenta

pulsações abruptas de corrente, tem uma gama de controlo mais larga que um regulador

elevador-redutor normal e tem o elemento comutador referenciado à massa primária. No

entanto, este inverte a tensão de saída, pelo que é necessário ter um cuidado acrescido no

controlo do elemento comutador.

Os componentes principais, Li, Lo, Ci e Co foram obtidos através de [21], ignorando as

componentes parasíticas, considerando um fator de ciclo típico inferior a 0,6 e superior a 0,4,

uma tensão de entrada de 5 V, uma corrente de entrada de 200 mA, ripples de corrente de

entrada e de saída iguais a 10% e ripple de tensão à saída de 1%. Os valores de Li, Lo e Ci são

respetivamente:

𝐿𝑖 =𝑉𝑖𝑛𝐷

∆𝐼𝐿𝑖𝑓𝑠=

5 V × 0,6

(0,2 A × 10%) × 50 kHz= 3 mH

(3.1)

𝐿𝑜 =𝑉𝑜𝑢𝑡

∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑠

(1 − 𝐷) =𝑉𝑖𝑛𝐷

∆𝐼𝐿𝑜𝑓𝑠=

5 V × 0,6

(0,2 A × 10%) × 50 kHz= 3 mH

(3.2)

𝐶𝑖 =𝐼𝑖𝑛(1 − 𝐷)

∆𝑉𝐶𝑖𝑓𝑠=

0,2 A × (1 − 0,6)

1 V × 50 kHz= 1,6 μF

(3.3)

38

É de notar que Ci, representado na Figura 2.19, serve como mecanismo de transferência de

energia e, como tal, o valor de ΔVCi não deve ser muito baixo. É também importante que o valor

da resistência parasítica deste seja baixo. Quanto a Co, foi obtido:

𝐶𝑜 >12,5 × (1 − 𝐷𝑚𝑖𝑛)

𝐿𝑜𝑓𝑠2 =

12,5 × (1 − 0,4)

3 mH × 50 kHz2= 1 μF

(3.4)

No sistema dimensionado o condensador Co foi substituído por um conjunto de baterias

com uma tensão nominal de saída de 4,8V.

O controlo do componente de comutação, neste caso um MOSFET tipo N modelo

FDC645N [46], é feito através de um driver do tipo totem-pole. Este é apresentado na Figura

3.10.

Figura 3.10 – Circuito driver de controlo do componente de comutação.

Neste foi usado um MOSFET BS270 na entrada do circuito, para permitir reduzir a corrente

de saída da porta do microcontrolador e para aumentar a velocidade de comutação. Como este

andar inverte o sinal foi usado um segundo MOSFET, o que permitiu refinar ainda mais a forma

de onda que controla os dois TBJ do totem-pole. Esse par é constituído por um transístor NPN,

que coloca na gate do MOSFET uma tensão VGS igual à tensão da bateria do sistema, e um

transístor PNP que liga a gate à massa do sistema e descarrega rapidamente o condensador

presente na gate do MOSFET. Isto permite ter uma onda de controlo da gate com tempos de

subida e de descida muito rápidos, aumentando a eficiência geral do regulador DC-DC.

Como são necessários cerca de 2 V de tensão VGS e como todo o sistema de controlo é

referenciado à massa do lado secundário do regulador foi usado um duplicador de tensão

capacitivo, baseado num LT1054, para alimentar o driver. O circuito deste está representado na

Figura 3.11.

Figura 3.11 – Duplicador de tensão capacitivo.

Com este circuito é criada uma tensão de saída duas vezes igual à da bateria. Esta diferença

de potencial permite ao driver colocar uma tensão VGS na gate do MOSFET do regulador DC-

DC igual à tensão da bateria.

39

Entre o gerador trifásico e o regulador encontra-se uma ponte retificadora passiva trifásica,

constituída por díodos Schottky, cuja escolha adveio da necessidade de se ter o mínimo de

complexidade, quando comparada com uma ponte ativa, e uma queda de tensão em série nos

díodos baixa.

Assumindo que o conversor DC-DC tem uma eficiência de 85% (valor típico para

reguladores deste tipo), a potência à entrada do conversor deve ser igual a:

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =0,5 W

0,85= 0,588 W

(3.5)

e a potência de entrada da ponte retificadora, na saída do gerador é dada por:

𝑃𝐺 = 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 + 2𝑉𝐷

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟

= 0,588 W + 2 × 0,25 V ×0,588 W

5 V= 0,647 W

(3.6)

3.5. Alimentação e armazenamento

A alimentação do sistema passa pela utilização de um regulador linear, modelo MIC5219,

presente na placa do Arduíno Fio. Para o usar sem influência do carregador de baterias foi feito

um bypass ao controlador de carregamento de células de lítio presente na placa. Este ponto é

indicado na Figura 3.12 com uma seta vermelha e o regulador linear é indicado pela seta

amarela.

Figura 3.12 – Ponto de bypass.

A Tabela 3-1 apresenta os consumos de cada componente utilizado em vários estados de

funcionamento.

Tabela 3-1 – Consumos dos componentes

Nome Quantidade Corrente individual (mA)

Corrente (mA)

Tensão (V)

Potência (mW)

ATMEGA328P 1 3 3 3,3 9,9

ATMEGA328P Power down

1 0,001 0,001 3,3 0,0033

ATMEGA328P Power save

1 0,00075 0,00075 3,3 0,002475

LM358 1 1 1 3,3 3,3

MAX9929 2 0,115 0,230 3,3 0,759

Xbee ON 1 40 40 3,3 132

Xbee idle 1 15 15 3,3 49,5

Xbee power-down

1 0,001 0,001 3,3 0,0033

Driver 1 3 3 4,8 14,4

40

Foi decidido usar baterias de Ni-MH visto serem relativamente baratas, fáceis de obter e

mais resistentes a erros de carga. De forma a alimentar o sistema foi criado um pacote de 4

baterias em série, o que gerava uma tensão nominal de 4,8 V, com uma tensão mínima de 4,4

V e uma tensão de pico de 5,6 V.

Para manter o máximo de flexibilidade na utilização, foi decidido manter o sistema sempre

ativo. O consumo total em corrente dos componentes, em modo ativo, alimentados com 3,3 V

é de 44,23 mA. Esta corrente dá origem a uma potência perdida no regulador linear de:

(4,8 − 3,3) × 44,23 = 66,35 mW (3.7)

dando uma potência total consumida, à entrada do regulador linear, de 226,71 mW. Isto faz

com que a eficiência geral após a bateria seja de 71%.

Utilizando baterias com uma capacidade de 2000 mAh estimou-se a autonomia:

2000 × 4,8

226,71= 42,34 horas = 1,76 dias (3.8)

ou seja, este conjunto de baterias consegue alimentar o sistema durante um dia e meio.

As válvulas de solenoide disponíveis precisam de uma pressão de água de pelo menos 1

bar, ou seja, uma queda de pelo menos 10 m, para poderem funcionar adequadamente. As

válvulas de bola controladas por servos simples deram resultados mistos ou inadequados. Por

este motivo neste trabalho não foi implementado um sistema de controlo automático de caudal.

Como alguns sensores não ofereciam controlo de adormecimento foi criado um conjunto

de pequenos módulos de corte de energia que permitem desligar e ligar seletivamente secções

do circuito de forma a poupar energia. Estes não foram usados no protótipo desenvolvido. O

diagrama de um destes módulos está representado na Figura 3.13.

Figura 3.13 – Circuito de corte seletivo.

41

3.6. Medição da potência mecânica

O mecanismo de medição da potência mecânica usado neste trabalho é uma variante do

dispositivo conhecido por dinamómetro de travão por corda, apresentado na Figura 3.14 [47]

[48].

Figura 3.14 – Travão por corda [48].

Como as potências envolvidas no projeto são pequenas foi suprimido o uso de água de

arrefecimento e foi usada uma segunda balança de molas para aplicar o mesmo efeito do peso.

Na Figura 3.15 é apresentado um diagrama do dinamómetro implementado e na Figura

3.16 é mostrada a sua montagem.

Figura 3.15 – Esquema do medidor de binário: (A) manivela, (B) balanças de mola, (C) ganchos, (D) apoio

móvel, (E) apoio fixo, (F) fio, (G) polia, (H) carris lineares de gaveta, (I) roda volante presa ao eixo sob teste,

(J) estrutura principal.

42

Figura 3.16 – Medidor de binário montado.

A manivela, no lado direito, permite mover a balança da direita de forma ascendente ou

descendente, esticando ou alargando a mola e aplicando uma força de travagem ao eixo. O

binário é dado por:

𝜏 = (𝐹1 − 𝐹2) × 𝑟 (3.9)

com τ o binário, em Nm, F1 e F2 as forças medidas nas balanças, em N, e r o raio da roda volante

em metros.

Para a medição da velocidade angular foi usado um sensor de efeito de Hall com saída

latching, ligado a um Arduíno com um ecrã, apresentado na Figura 3.17, e programado para a

contagem do número de impulsos por segundo (fluxograma no Anexo C e código no Anexo D).

Figura 3.17 – Contador de rotações por segundo.

O circuito do contador de rotações está representado na Figura 3.18.

Figura 3.18 – Circuito do medidor de rotações com ecrã.

43

O sistema de medição de velocidade foi testado usando um osciloscópio, como mostra a

Figura 3.19.

Figura 3.19 – Verificação de valores de rotações por segundo.

A potência mecânica, P, é dada por:

𝑃 = 𝜏𝜔 (3.10)

em que ω é a velocidade angular em rad/s.

Foram testados vários materiais para a criação da roda volante, representados na Figura

3.20, e para a corda.

Figura 3.20 – Materiais testados para a criação da roda volante.

Foi decidido usar um eixo de aço inox polido, com 10 mm de diâmetro (componente à

esquerda na Figura 3.20), pelas suas caraterísticas rígidas, escorregadias, imunidade à corrosão

e apresentar um diâmetro pequeno, que permite observar o binário com mais detalhe ao usar-se

a gama de medição completa das balanças de mola. Para o fio foi escolhido um fio genérico de

algodão, com 0,2 mm de diâmetro pelas suas caraterísticas escorregadias, flexibilidade e por

não derreter quando exposto a temperaturas elevadas. A boa qualidade da superfície do fio

também teve que ser assegurada, visto que a existência de fibras soltas no fio causava efeitos

de travagem súbita e inesperada, algo que foi detetado quando foi usado um fio de algodão com

uma superfície degradada.

É importante notar que, sempre que o eixo ficasse molhado ou o fio apresentasse sinais de

degradação, era necessário proceder à troca do fio e à limpeza do eixo.

Inicialmente, o procedimento de captura de dados envolvia duas pessoas. A primeira pessoa

tinha como função movimentar a manivela ao mesmo tempo que observava a velocidade de

rotação no ecrã do Arduíno. A cada variação de 2 Hz os valores de força nos dois dinamómetros

eram lidos. A segunda pessoa fazia uma verificação no osciloscópio da velocidade de rotação

e registava os valores da velocidade e das forças numa folha de cálculo, preparada com as

equações apropriadas para calcular o binário e a potência, e que faria automaticamente um

gráfico. Isto permitia verificar rapidamente a existência de valores incorretos. A necessidade da

44

segunda pessoa advinha da necessidade de isolar o material elétrico sensível à água, como o

computador e o osciloscópio.

Este processo era muito moroso e não permitia observar fenómenos rápidos, como o fim

da curva de binário e a existência de choque de entrada e cavitação. Em consequência disso foi

decidido implementar uma melhoria no sistema colocando duas células de carga, semelhantes

às da Figura 3.21, removidas de duas balanças de precisão de bolso, apresentadas na Figura

3.22.

Figura 3.21 – Célula de carga.

Figura 3.22 – Balanças de bolso.

As células de carga foram colocadas no lugar dos ganchos das balanças, ponto C da Figura 3.15,

como indica a Figura 3.23.

Figura 3.23 – Células de carga montadas nos postes.

As células de carga tinham pontes Wheatstone resistivas coladas na sua periferia. Para ler

as variações de resistência foi implementado o circuito representado na Figura 3.24, presente

na folha de caraterísticas do amplificador operacional LM358 [42].

45

Figura 3.24 – Amplificador de pontes resistivas [42].

O circuito de captura e filtragem usado foi o representado na Figura 3.25.

Figura 3.25 – Circuito implementado.

Para comunicar e capturar os dados foi implementada uma interface gráfica, representada

na Figura 3.26, desenvolvida em Python.

Figura 3.26 – Interface de captura de dados.

46

A janela está dividida em 4 secções. A do topo tem o botão para ativar a ligação por

protocolo série aos sensores, uma caixa para introdução do valor do diâmetro do eixo e uma

zona para a exibição de mensagens. Logo abaixo desta é apresentada a força medida no primeiro

sensor, a força no segundo sensor, a diferença entre os dois sensores, o binário, as rotações por

segundo, as rotações por minuto, a velocidade angular, a potência em watts e a potência em

miliwatts. Na secção seguinte encontram-se os botões de controlo, o botão para a remoção da

tara, o botão de calibração do primeiro sensor, o botão de calibração do segundo sensor e o

botão para mostrar a janela dos gráficos. Na última secção é exibida uma caixa para o nome do

ficheiro onde devem ser gravados os dados e os botões para parar e iniciar a captura de dados.

O fluxograma do código e o código desta interface estão disponíveis, respetivamente, no

Anexo E e no Anexo F.

É de notar que a interface é constituída por duas entidades independentes que se interligam,

a interface gráfica visível em si e o agente, que tem como função fazer todo o trabalho de captura

de dados, calibração e armazenamento.

Posteriormente foi decidido colocar os amplificadores operacionais junto aos sensores, de

forma a reduzir o efeito de captação de ruído eletromagnético ambiental que ocorria nos cabos

longos.

Tendo a capacidade de captura semiautomática de dados, foi possível observar pequenos

detalhes na curva de torque e de potência e fazer capturas de forma mais rápida, sem a ajuda

secundária.

As balanças de molas usadas para criar carga tinham um peso que devia ser removido das

medidas. Para essa função foi usado o botão de remoção da tara, ou seja, foi considerar a medida

nesse momento como sendo o zero, de forma a remover a tara. Este processo foi repetido

periodicamente de forma a garantir que as deformações das células de carga, causadas por

mudanças de temperatura ambiente, não causavam medições erradas.

A calibração da escala era feita usando um peso de 2 N. De forma periódica este era

pendurado de uma das células de carga e era pressionado o botão “Afina” desse lado. Isto

permitia compensar qualquer variação geométrica nos sensores causada por fatores externos.

O código do microcontrolador, neste caso um Arduíno uno, encontra-se disponível no

Anexo G, sob a forma de fluxograma, e no Anexo H em código.

3.7. Turbinas

Para dimensionar o gerador faltava dimensionar a componente de velocidade angular, que

dependia diretamente das caraterísticas da turbina e da fonte de energia cinética. Como tal, e

considerando que os geradores do tipo que foi usado tendem a ter uma eficiência na ordem dos

80% [49], considerou-se que a potência mecânica deveria ser da ordem dos 800 mW. Com este

valor procedeu-se ao dimensionamento das turbinas e do gerador.

3.7.1. Propeller

Para a turbina Propeller foi decidido não imprimir a turbina, visto que a impressora

disponível não tinha uma resolução adequada e o material não tinha rigidez suficiente quando

impresso com a espessura necessária. Assim, foi adquirida uma turbina cujo diâmetro é o mais

próximo da tubagem disponível de PVC, com 40 mm de diâmetro externo e 36 mm de diâmetro

interno. A turbina em questão é uma turbina fabricada pela Graupner e é usada em de barcos de

47

modelismo, do modelo 2308.40L [50]. A turbina é feita em nylon com 40 mm de diâmetro e

um passo de 21 mm, ou seja, num caso ideal sem carga a turbina avança 21 mm por cada volta

do eixo. Esta foi montada num eixo com rolamentos à prova de água, estilo stuffing box, para

barcos de modelismo. Os componentes podem ser observados na Figura 3.27.

Figura 3.27 – No topo o conjunto de eixo impermeável, prendedor de eixo e apoio de gerador. Na parte

inferior o cone, a turbina e uma moeda para escala.

Para uma potência mecânica de 0,8 W, assumindo uma eficiência de 80% e usando um

valor comum para o rácio de fluxo de 0,5, tem-se que a queda útil é dada por (2.17):

𝑃 = 𝜇𝛾𝑄𝐻𝑢

= 𝜇 × 𝛾 × 𝐴 × (𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜) × √2 × 𝑔 × 𝐻𝑢 × 𝐻𝑢

⇒ 𝐻𝑢 = (

𝑃

𝜇 × 𝛾 × 𝐴 × (𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜) × √2 × 𝑔)

= (0,8

0,8 × 9800 × (0,042 − 0,0082

4 ) × 𝜋 × 0,5 × √2 × 9,8)

23

= 0,11 m

(3.11)

A velocidade de rotação da turbina é dada por:

𝑁 =Rácio de fluxo × √2 × g × 𝐻𝑢

Passo da turbina=

0,5 × √2 × 9,8 × 0,11

0,021= 36,61 Hz = 230 rad/s

(3.12)

Calculando a velocidade específica, tem-se de (2.10):

𝑁𝑆 =𝑁√𝑃

𝐻54

=36,6√

0,80,8

0,1154

= 578

(3.13)

que segundo a tabela 2-1 encontra-se a meio da gama indicada para turbinas deste género.

Para o dimensionamento do gerador foi usada a velocidade angular de 230 rad/s, do sistema

Propeller.

48

O sistema desenvolvido está representado na Figura 3.28.

Figura 3.28 – Sistema Propeller: (A) detalhe do encapsulamento da turbina, (B) captura de água de entrada,

(C) captura em aresta viva com 40 mm de diâmetro, (D) captura de água de saída, (E) tubo curvo com 45º e

diâmetro de 40 mm, (F) gerador, (G) tubo curvo com 45º e diâmetro de 40 mm adaptado, (H) união de tubos, (I)

tubo de vácuo, (J) apertador de eixo, (K) detalhe do apertador de eixo, (L) hélice, (M) cone, (N) eixo e rolamento

impermeável.

A estrutura foi escolhida para ser equiparável à usada em [16], mas com curvas menos

bruscas e melhores mecanismos de vedação.

Para este sistema foi decidido testar o efeito de mudar a geometria do bocal de saída. Para

tal foi criado um bocal a direito e um bocal divergente (Figura 3.29).

Figura 3.29 – Bocal direito e bocal divergente.

49

As perdas de carga conhecidas e calculáveis estão representadas na Figura 3.30. É de notar

que KF é dependente da saída usada.

Figura 3.30 – Perdas de carga.

O valor das perdas no sistema sem cone divergente é dado por [40]

𝐻𝑙 =

𝑣2

2𝑔(𝐾𝐴+𝐾𝐵 + 𝐾𝐶+𝐾𝐷 + 𝐾𝐸+𝐾𝐹)

= (0,5 × √2 × 9,8 × 0,11)

2

2𝑔(0,5 + 0,16 + 0,16

+ 0,206 + 0,118 + 1) = 0,059 m

(3.14)

Com a perda de queda estimada tem-se que a queda bruta deverá ser na ordem dos 0,17 m

para o sistema sem tubo de sucção divergente.

A aplicação de um tubo de sucção divergente, como indicado na Figura 3.31, faz com que

aumentasse para o dobro a área à saída, criando um abrandamento da água na saída e reduzindo

o efeito do fator KF. Neste cenário a perda de queda reduz-se para 0,038 m e uma queda bruta

na ordem dos 0,14 m.

Figura 3.31 – Perdas de carga com tubo de sucção divergente.

50

Durante os testes preliminares, os mecanismos para a criação de vórtice apresentados na

Figura 3.32 não permitiram melhorar o desempenho do sistema, tendo um efeito negativo por

aumentarem as perdas de queda, possivelmente devido à ocupação de uma porção apreciável

da área da tubagem. Desta forma, foram suprimidos nos testes finais.

Figura 3.32 – Criadores de vórtice.

3.7.2. Pelton

As turbinas Pelton foram impressas numa impressora 3D. Como é requerido que estas

sejam de pequena dimensão, foi feito um estudo físico de resistência e qualidade de acabamento

relativamente ao valor do diâmetro, D. Para isso construiu-se uma série de componentes da

turbina, em várias escalas, sendo cada um destes componentes inspecionado para determinar a

sua viabilidade para uso contínuo. Depois deste estudo foi concluído que a dimensão mínima

para D seria na ordem dos 30 mm, de forma a garantir uma qualidade de superfície e resistência

de suporte adequados. Com este parâmetro foi calculado o diâmetro do orifício do injetor,

através dos rácios da tabela 2-2, o qual variou entre os 1,87 mm e os 2,14 mm. Foi escolhido o

valor 2,14 mm de forma a facilitar o fabrico dos componentes.

O caudal é dado por [34]:

𝑄 = 𝐴𝑣 = 𝜋 (𝑑

2)

2

𝐶𝑣√2𝑔𝐻 (3.15)

Tendo a potência mecânica, assumindo uma eficiência de 85% e o diâmetro do injetor, foi

possível calcular a queda efetiva manipulando a equação (2.17):

𝑃 = 𝜂𝛾𝑄𝐻𝑒

⇔ 𝐻𝑒 =

𝑃

𝜂𝛾𝑄 ⇔ 𝐻𝑒 =

𝑃

𝜂 × 𝛾 × 𝜋 × (𝑑2)

2

× 𝐶𝑣 × √2𝑔𝐻𝑒

⇔ 𝐻𝑒

= (𝑃

𝜂 × 𝛾 × 𝜋 × (𝑑2)

2

× 𝐶𝑣 × √2𝑔

)

23

(3.16)

sendo obtida uma queda efetiva de 3,38 m.

Colocando estes valores na equação (2.20) tem-se que a velocidade do jato é igual a 7,96

m/s. A velocidade tangencial u da turbina, dada pela equação (2.21) e Figura 2.39, é de 3,59

51

m/s e a velocidade rotacional, obtida a partir da equação (2.22), é de 2285 RPM, 38 Hz ou 239,3

rad/s.

Usando a equação (2.10) obteve-se a velocidade específica:

𝑁𝑆 =𝑁√𝑃

𝐻54

=38𝑅𝑃𝑆√

0,810,85

𝑊

3,3854𝑚

= 8,1

(3.17)

o que segundo a tabela 2-1 se encontrava no limite inferior da gama adequada para este tipo de

turbina.

O diâmetro da mangueira, 25 mm externo e 18 mm interno, foi escolhido por ser um

diâmetro padrão, existirem uniões e acessórios disponíveis no laboratório e apresentar um

aumento de área substancial em relação à área do injetor, permitindo uma diminuição das perdas

na conduta de alimentação.

Na Figura 3.33 está representado um esquema de uma turbina Pelton usada neste sistema.

Esta é uma réplica, à escala, de uma turbina de grandes dimensões e usa os valores determinados

anteriormente.

Figura 3.33 – Turbina dimensionada.

No total foram criadas 19 turbinas Pelton para este trabalho. Estas são apresentadas na

Figura 3.34 e na Figura 3.35 juntamente com a turbina de metal usada em [16]. Estas foram

numeradas à medida que foram sendo fabricadas.

Figura 3.34 – Primeiro conjunto de turbinas Pelton.

52

Figura 3.35 – Segundo conjunto de turbinas Pelton.

O primeiro conjunto é constituído por turbinas cujo diâmetro é de 27 mm. Cada uma possui

parâmetros chave diferentes. A turbina 1 tem 19 pás. As turbinas 2 e 3, de 22 pás, têm o mesmo

desenho e serviram para testes qualitativos. Com a turbina 2 foi tido um cuidado especial em

criar a rosca bem alinhada com o eixo, sendo que pás com defeitos foram excluídas, e esta foi

completamente envernizada numa estrutura rotativa para garantir uma cobertura homogénea. A

turbina 3 recebeu um tratamento oposto: o eixo não ficou bem alinhado, a superfície foi deixada

rugosa e algumas pás posicionadas de forma irregular. A turbina 4 não tem o separador central

característico das turbinas Pelton, servindo para verificar se é mesmo necessário o passo extra

de criar o separador de jato. A turbina 5 tem uma redução ainda maior no número de pás, para

15 e serviu para aferir o efeito de se ter menos pás. A turbina 6 e a turbina 7 têm superfícies

planas e serviram para avaliar se era mesmo necessário utilizar todas as curvas de projeto de

grande escala para pequena escala.

As turbinas 8, 9, 10, 11, 12 e 13 serviram para aferir o efeito do aumento do diâmetro, de

27 mm para 31 mm, e o efeito do ângulo de inclinação das colheres, ou seja, o ângulo que cada

colher faz relativamente ao raio da turbina. Esta diferença pode ser observada na Figura 3.36.

As turbinas 8 e 9 têm a divisória central, as turbinas 10 e 11 não têm divisória central e as

turbinas 12 e 13 têm paredes baixas e não têm divisória central.

Figura 3.36 – Turbinas para estudo do efeito do ângulo.

As turbinas 14, 15, 16, 17 e 18 têm um diâmetro igual ao das turbinas do primeiro conjunto

e serviram para complementar dados relativamente ao efeito do número de colheres, geometria

e da inclinação das pás relativamente ao raio.

A turbina A (de maior dimensão na Figura 3.35) é um protótipo desenvolvido no início da

tese e serviu para observar o efeito de um aumento acentuado de diâmetro, para 37 mm, sendo

comparável à turbina Pelton de metal usada em [16], cujo diâmetro é de 35 mm.

53

Em conjunto com estas turbinas foi também impresso um conjunto de injetores para criar

jatos com diâmetros diferentes. Estes são representados na Figura 3.37.

Figura 3.37 – Injetores e adaptador.

Os injetores usam curvas suaves para reduzir os efeitos de estrangulamento de canal e

cavitação. Esse detalhe é representado na Figura 3.38.

Figura 3.38 – Injetor dimensionado.

O diâmetro do orifício dos injetores encontra-se tabelado na Tabela 3-2. O injetor 3A foi

dimensionado para se aproximar do diâmetro utilizado anteriormente no dimensionamento do

injetor.

Tabela 3-2 – Caraterísticas de desenho dos injetores.

Injetor Diâmetro interno por desenho (mm)

1 1

2 1,5

3 2

3A 2,1

4 2,5

5 3

6 3,5

7 4

8 4,5

O sistema desenvolvido é apresentado na Figura 3.39, com detalhes na Figura 3.40 e na

Figura 3.41.

54

Figura 3.39 – Sistema Pelton: (A) mangueira, (B) tanque principal, (C) tanque de compensação, (D) união

em T, (F) injetor e turbina, (J) acoplamento turbina-gerador, (U) gerador, (V) captura em aresta viva.

Figura 3.40 – Detalhes do sistema Pelton: (E) eixo, (G) turbina, (H) apoio móvel, (I) apoio fixo, (K) injetor

e purga de bolhas de ar, (T) mecanismo de purga de bolhas de ar.

Figura 3.41 – Detalhe do interior do injetor e injetor explodido: (A) mangueira, (L) retentor do injetor,

(M) injetor, (N) anel de borracha, (O) apoio do injetor, (P) tubo de apoio principal, (Q) entrada do mecanismo de

purga de bolhas de ar, (R) êmbolo flutuante, (S) encapsulamento do mecanismo de purga de bolhas de ar.

55

Para os injetores assentarem bem contra o apoio O foi usado um anel de borracha vedante,

representado pela letra N, e três molas de retenção, que se prenderam entre os três postes de L

e três parafusos apertados em P, para aplicar pressão homogeneamente.

A captação de água é representada por B na Figura 3.39. O orifício da captação é em aresta

viva e é representado por V. A água percorre um pequeno segmento descendente e dirige-se

para um tanque de compensação, C, colocado logo na descida vertical da água.

A utilização deste pequeno tanque permitia uma melhor resposta dinâmica do sistema e

uma melhor facilidade em purgar as bolhas de ar presentes na tubagem quando o sistema

arrancava depois de seco. As dimensões deste são fundamentais quando o sistema está sujeito

a variações frequentes de caudal, algo que não ocorreu no sistema implementado.

Consequentemente, não foi feito o dimensionamento do tanque.

Foi criada uma válvula de purga de ar, representada por T na Figura 3.40, com seringas de

plástico. Esta foi eventualmente melhorada com um flutuador interno, molas de retenção, um

vedante de silicone e relocalizada para uma posição mais afastada de modo a não interferir com

a cobertura. É de notar que esta cumpre o objetivo secundário de ser uma válvula anti pressão

negativa. Quando a válvula de controlo de caudal é fechada repentinamente ocorre a criação de

uma pressão negativa. Nesta situação a válvula abre e deixa entrar ar.

O suporte da turbina e do gerador tem a capacidade de se inclinar e deslocar para acomodar

turbinas com diâmetros diferentes.

3.8. Gerador

O gerador usado neste trabalho é do tipo radial síncrono com ímanes permanentes, núcleo

de ar e enrolamentos concentrados como exemplificado na Figura 3.42.

Figura 3.42 – Exemplo de bobinas concentradas [49].

As vantagens de ser um gerador com núcleo de ar são um custo menor de construção,

independência do uso de materiais ferromagnéticos e não ter alguns dos efeitos magnéticos

negativos de máquinas com núcleos ferromagnéticos. O uso de bobinas concentradas é

vantajoso no sentido em que simplifica a construção, baixa o custo e reduz as perdas resistivas

quando comparado com uma montagem de bobinas sobrepostas. Este gerador encontra-se

representado na Figura 3.43.

56

Figura 3.43 – Gerador.

Foi decidido dimensionar o gerador para que este pudesse ser ligado, após a retificação,

diretamente ao conjunto de baterias, o que permitia testar o efeito do regulador no sistema. As

especificações elétricas esperadas, após a retificação, são uma saída de tensão contínua de 5 V

e uma potência elétrica de 647 mW, a potência elétrica contando com as perdas típicas do

regulador de tensão comutado. Observando o percurso que a corrente segue no retificador

trifásico, mostrado na Figura 3.44 com linhas sólidas, tem-se que [51]:

𝑉𝐿𝑝 =𝑉𝑑𝑐 × 𝜋

3√3+ 2 × 𝑉𝐷 =

5 × 𝜋

3√3+ 2 × 0,25 = 3,5V

(3.18)

𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝 =𝑃𝑟𝑚𝑠

𝑉𝐿𝑝=

0,647

3,5= 0,184A

(3.19)

𝐼𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒𝑝 =𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝

√3= 0,106A

(3.20)

em que VLp é a tensão de pico na linha de saída do gerador, Vdc é a tensão contínua aos terminais

do retificador, VD é a queda de tensão no díodo, Ilinhap é a corrente de pico na linha de saída do

gerador, Prms é a potência média requerida do sistema elétrico e Iphasep é a corrente de pico por

fase.

Figura 3.44 – Gerador ligado a retificador trifásico.

Há que ter em consideração as perdas internas nas bobinas do gerador no dimensionamento

do sistema. Na Figura 3.45 é apresentado um modelo simplificado de uma das fases do gerador.

A componente a ter em atenção quando o gerador se encontra a fornecer potência à carga RL é

a queda de tensão Vperda na resistência interna da bobina, RG. Desta forma tem-se:

57

𝑉𝐺 = 𝑉𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 + 𝑉𝐿 = 𝑅𝐺

𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝

√3+ 𝑉𝐿

(3.21)

Figura 3.45 – Modelo de uma fase do gerador.

A tensão de pico do gerador é definida por [49]:

𝐸𝑃 = 2𝑞𝑁𝐵𝑘𝜆𝑟𝑛𝑙𝜔𝑚 (3.22)

em que q é o número de bobinas por fase, N é o número de enrolamentos por bobina, B é a

densidade do campo magnético em tesla, kλ é o fator de ligação de fluxo, rn é o raio médio do

estator em metros, l é o comprimento elétrico ativo de cada bobina em metros e ωm é a

velocidade angular mecânica em radianos por segundo. Os parâmetros l e rn são exemplificados

na Figura 3.46.

Figura 3.46 – Uma volta da bobina no estator [49].

A resistência de cada bobina, cujo fio tem um diâmetro de 0,4 mm, é dada por:

𝑅𝐶𝑢𝑁 = 𝑁 × 2 × (𝑙 + 𝑙𝑒) ×

𝜌

𝐴= 𝑁 × 2 × (20𝑚𝑚 + 25𝑚𝑚) × 0,136 Ω ⁄ 𝑚

= 𝑁 × 0,01224Ω

(3.23)

Juntando a equação (3.21) com a equação (3.22) tem-se que:

𝑅𝐺

𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝

√3+ 𝑉𝐿𝑝 = 2𝑞𝑁𝐵𝑘𝜆𝑟𝑛𝑙𝜔𝑚

(3.24)

Adicionando o valor da resistência de cada bobina tem-se:

58

2 × 𝑁 × 0,01224Ω ×𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝

√3+ 𝑉𝐿𝑝 = 2𝑞𝑁𝐵𝑘𝜆𝑟𝑛𝑙𝜔𝑚

(3.25)

Resolvendo em ordem a N obtém-se

𝑁 =

𝑉𝐿𝑝

2𝑞𝐵𝑘𝜆𝑟𝑛𝑙𝜔𝑚 − 2 × 0,01224Ω ×𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑝

√3

(3.26)

Tendo q = 2, B = 0,087 T no centro de cada enrolamento, valor obtido através de um

simulador online [52], kλ = 0,95 obtido através da Figura 3.48, rn = 22 mm, l = 20 mm e ωm =

230 rad/s foi calculado que cada enrolamento devia ter aproximadamente 112 voltas. Este valor

foi arredondado para 121 voltas, para permitir um melhor rácio entre largura e espessura das

bobinas.

Seja k definido por:

𝑘 =𝛥

𝛥𝑚𝑎𝑥

(3.27)

em que a variável Δ é definida na Figura 3.47, e representa um modelo linearizado das bobinas

e ímanes de um gerador. O parâmetro Δmax é igual à largura máxima que uma bobina pode ter

num gerador com bobinas concentradas.

Figura 3.47 – Modelo linearizado de um gerador [49].

Pela Figura 3.48, para que kλ seja o maior possível, k deve ser aproximadamente 0,185.

Figura 3.48 – Ligação de fluxo em relação à largura relativa do enrolamento [49].

59

No gerador dimensionado Δmax é igual a 23 mm, o que implica que Δ, a largura lateral da

bobina, deve ser de aproximadamente 4,26 mm. Como os enrolamentos foram colocados da

forma o mais compacta possível, foi exequível uma secção de 11 por 11 fios, perfazendo um

total de 121 voltas. Tendo um valor Δ igual a 4,43 mm os valores de k e kλ foram recalculados,

ficando k = 0,192 e kλ = 0,966, que está dentro dos parâmetros esperados. Uma bobina do

gerador é representada na Figura 3.49 em conjunto com alguns ímanes do rotor de forma

linearizada.

Figura 3.49 – Representação linear de um enrolamento em relação ao rotor.

3.9. Carga variável

Como o objetivo de testar a turbina acoplada ao gerador foi criada uma carga cujo valor

pode variar de forma controlada e remotamente. O desenho desta foi baseado numa carga de

corrente fixa presente na folha de caraterísticas do AMPOP LM358 [42] apresentado na Figura

3.50.

Figura 3.50 – Carga de corrente constante [42].

Para que esta pudesse ser controlada facilmente por uma porta PWM do microcontrolador

foi usado um filtro passa baixo RC de primeira ordem com uma frequência de corte de 1,6 Hz.

Esta frequência de corte tão baixa foi escolhida para garantir um sinal DC suave na saída. A

afinação da sensibilidade foi feita através de um potenciómetro a funcionar como divisor

resistivo variável. O circuito completo pode ser observado na Figura 3.51.

Foi decidido usar um FET no lugar do TBJ de forma a reduzir a corrente consumida e

permitir controlar potências maiores com os FET de potência disponíveis.

60

Figura 3.51 – Circuito da carga variável.

É de notar que, para garantir o funcionamento adequado do circuito nesta aplicação, foi

usado o duplicador de tensão capacitivo para alimentar este circuito com 10 V de tensão. A

porta ISENSE permite ligar um sensor de corrente e a porta VSENSE permite ligar um sensor

de tensão, que servem para capturar dados e monitorizar o funcionamento da carga. A porta

LOAD é onde fica ligada a saída do retificador.

O sistema de teste de carga elétrica está representado na Figura 3.52.

Figura 3.52 – Teste de carga elétrica.

A transmissão de dados foi feita através de rádios XBee. Isto permitiu obter medições sem

se correr o risco de danificar equipamentos sensíveis e caros com a água. O fluxograma e o

código do sistema de teste da carga encontram-se no Anexo K e no Anexo L, respetivamente.

O conta rotações usado foi uma variante do conta rotações com ecrã apresentado na secção

3.6. O fluxograma e o código podem ser consultados no Anexo M e no Anexo N,

respetivamente.

Para o controlo e captura de dados foi adaptada a interface do medidor de binário. A Figura

3.53 apresenta a nova interface.

Figura 3.53 – Interface de captura de dados.

61

A interface encontra-se dividida em 4 secções. A do topo contém os botões que controlam

a ligação com o sensor de rotações e a ligação sem fios com a carga variável. Existe também

uma caixa de texto para mensagens relativas ao funcionamento do programa. Logo abaixo

encontra-se a informação relativa à captura, nomeadamente a corrente medida, a tensão medida,

as rotações por segundo, as rotações por minuto, a velocidade angular, a potência em watt, a

potência em miliwatt e o binário em newton metro. Na secção seguinte é possível encontrar o

controlo manual da corrente de carga, o número de capturas para o sistema automático, o

incremento de corrente e o botão para mostrar a janela dos gráficos. Na última secção é

apresentada a escolha do algoritmo de teste, o nome do ficheiro para guardar os dados e os

botões de início e fim da captura automática. O fluxograma da interface encontra-se no Anexo

I e o código no Anexo J.

Para testar o sistema de forma automática foi usado um de dois testes. Em cada um destes

a corrente de carga era variada segundo as rampas apresentadas na Figura 3.54.

Figura 3.54 – Algoritmos de teste.

Na rampa identificada por “UP-DOWN” a corrente era elevada progressivamente até

chegar a um ponto onde a corrente lida não subia mais. Após isto a corrente era reduzida

progressivamente. Isto permitia observar os efeitos da inércia nas medições.

Conhecendo o rácio adequado de captura, em que a influência da inércia não é significativo,

era usada a rampa “UP-UP”, o que permitia reduzir o tempo de captura para metade,

relativamente ao algoritmo anterior.

3.10. Nó sensor

Por fim efetuou-se a montagem do nó sensor. Normalmente este género de nó é usado para

capturar variáveis ambientais. Para fins de estudo do sistema de carregamento e controlo de

carga, neste trabalho o nó sensor capturou e forneceu dados relativos à velocidade rotacional, à

tensão da bateria, à corrente de entrada na bateria, à corrente de saída da bateria e ao estado

atual. Foi também decidido dotar o nó sensor da capacidade de efetuar testes de carga de forma

autónoma.

Como a potência varia muito pouco em sistemas hídricos, foi feita uma medida da corrente

de entrada, da corrente de saída e da tensão na bateria a cada segundo. Esta cadência de captura

e resposta é lenta devido à necessidade de compensar as caraterísticas inerciais do gerador e

devido à estabilidade da fonte de potência hídrica.

Para fins do algoritmo de MPPT era somente usada a corrente de entrada na bateria. Como

a tensão da bateria varia muito pouco com a potência que lhe é injetada há uma proporção direta

entre esta e a corrente de entrada. Isto permitiu simplificar os cálculos e a programação.

62

Para encontrar o ponto de máxima transferência de potência foi feito um varrimento do

fator de ciclo e a corrente de entrada na bateria é observada. O algoritmo de perturbação e

observação do MPPT inicia no ponto em que a corrente de entrada na bateria é a mais elevada.

Devido à falta de uma válvula controlável eletronicamente adequada para este trabalho foi

usada uma válvula manual. Consequentemente, todo o controlo de funcionamento da turbina

foi manual, ou seja, desde que a válvula permanecesse aberta e existisse água na tubagem a

turbina encontrava-se em funcionamento.

O sistema de controlo de carga pode carregar a bateria somente quando esta se encontra

descarregada ou, usando um condensador no lugar da bateria, manter o sistema em

funcionamento contínuo sem o uso de bateria. Neste trabalho foi decidido implementar somente

o método de carregamento sucessivo e sequencial da bateria.

O carregamento da bateria é iniciado quando a tensão por célula é de 1,1 V e finaliza

quando a tensão por célula atinge os 1,4 V. É esperado que a corrente de entrada da bateria

cause uma sobrelevação de tensão que causa uma leitura errada da tensão real na bateria. Isto

não é problemático desde que as resistências parasitas em série sejam baixas.

Foram também colocadas no código final algumas rotinas utilitárias. Estas são as rotinas

de controlo manual do fator de ciclo, início de carregamento manual, paragem de carregamento

e uma rotina de varrimento de fator de ciclo. Todas estas são ativáveis remotamente. Isto

permite uma fácil captura das caraterísticas dinâmicas do sistema durante os testes e o controlo

manual em caso de emergência.

A caixa do nó sensor foi adaptada para permitir a sua montagem no tubo de apoio do injetor

da turbina Pelton. Todos os orifícios feitos para a passagem de cabos têm um retentor

impermeável de cabos. A tampa contém 3 luzes LED de diagnóstico, cujas resistências foram

sobredimensionadas de forma a reduzir a corrente consumida por estes para cerca de 1 mA. Os

vários componentes são apresentados na Figura 3.55.

Figura 3.55 – Identificação dos componentes do nó sensor: (A) retificador, (B) conversor comutado,

(C) driver, (D) sensor de corrente de entrada na bateria, (E) duplicador de tensão, (F) sensor de tensão,

(G) interruptor de corte central, (H) sensor de corrente de saída da bateria, (I) bateria, (J) arduíno FIO e XBee,

(K) retentor impermeável de cabos.

63

O fluxograma do código aplicado no nó sensor é apresentado na Figura 3.56. O código

pode ser consultado no Anexo U.

Configuração da interrupção externa

Configuração da porta serie

Main loopInícioConfiguração do

timer 1 para PWM a 50 kHz

Configuração do timer 2 para

capturar e decidir de 1 s em 1 s

Interrupção na porta serie

Interrupção no timer 2

Descodifica comando recebido

Inicia carregamento?

Parar carregamento?

N

N

Modo manual?

N

Varrimento?

SMuda para estado

manual

SMuda para estado

de varrimento

S

Desativa carregamento e

muda parra estado idle

SAtiva carregamento e muda para estado

de carregamento

Retorna

Interrupção na porta 2

Guarda o tempo anterior

Obtém o tempo mais recente em microssegundos

Obtém o período entre a leitura

anterior e a atual

Guarda os dados na memória

Desativa as interrupções

Ativa as interrupções

Retorna

5 vezes?

N

Estado idle?

N

Estado manual?

N

Estado de varrimento?

N

Estado de carregamento?

Incrementa contador de vezes

SEnvia dados

armazenados e vezes = 0

SCaptura dados de

corrente e tensão e armazena

Tensão de bateria < limite?

Ativa carregamento e muda para estado

de carregamento

Captura dados de corrente e tensão e

armazena

Tensão de bateria > limite?

Retorna

Para o carregamento e

muda para o estado de idle

SCaptura dados de

corrente e tensão e armazena

S

Duty alvo e estado manual?

N

N

Altera valor do PWM

S

N

Captura dados de corrente e tensão e

armazenaS Incrementa PWM PWM > máximo

PWM =0

S

N

Corrente de bat > corrente de

bat anterior?S

N

Retorna

N

Inverte direção de variação de PWM

Varia o PWM na direção escolhida

S

N

S

Desligou?Fim

S

N

Figura 3.56 – Fluxograma do código do nó sensor.

64

3.11. Conclusão

Neste capítulo foram dimensionados os componentes relativos ao sistema final e

ferramentas de teste. Foi decidido dimensionar o sistema de forma a atingir uma potência

elétrica na ordem dos 500 mW.

O sistema de controlo central baseia-se na plataforma Arduíno, permitindo uma grande

flexibilidade de programação e controlo. Os sensores foram escolhidos para permitirem um

controlo adequado e a obtenção de valores que permitissem observar o comportamento do

sistema.

Para funcionar como carga do sistema de captação de energia foi escolhido um módulo

XBee, funcionando como um nó de uma rede de sensores sem fios. Este módulo também serviu

como mecanismo de transmissão de dados do sistema de teste.

Para permitir a máxima transferência de potência foi utilizado um regulador de tensão

comutado do tipo Cûk, que permite reduzir os efeitos de ruído eletromagnético do ripple da

corrente de entrada e de saída. A alimentação da eletrónica, que funciona a 3,3 V, é feita através

de um regulador linear presente na placa Arduíno Fio. As baterias escolhidas são do tipo Ni-

MH devido a serem relativamente baratas, comuns e resistentes a erros de carga.

Como a potência mecânica disponível é uma métrica importante, foi decidido implementar

um sistema de medição portátil e de fácil montagem. Este foi baseado num sistema de medição

de potência mecânica existente. Posteriormente foi melhorado para permitir a captura

semiautomática dos valores e o seu registo num computador.

Foram implementados dois modelos de turbina, uma turbina Propeller para baixas quedas

e grande caudal e uma turbina Pelton para grandes quedas e baixo caudal. Para o sistema

Propeller foi usada uma turbina e um rolamento impermeável, utilizados em barcos de

modelismo. Posteriormente foi calculada a queda necessária para se atingir a potência mecânica

requerida. No caso do sistema Pelton foi decidido usar uma impressora 3D e dimensionar uma

turbina usando as equações para grande escala, assumindo que estas funcionam adequadamente

para a escala usada no trabalho. Foi decidido fabricar um conjunto de variantes do desenho,

inicialmente concentradas em detalhes geométricos e posteriormente na influência do diâmetro

da turbina. No total foram fabricadas 19 turbinas e 9 injetores com diferentes diâmetros.

Para converter a potência mecânica em potência elétrica foi dimensionado e fabricado um

gerador trifásico com bobinas com núcleo de ar. Estes são fáceis de fabricar e não estão sujeitos

a determinados fenómenos eletromagnéticos negativos. O fabrico do invólucro em plástico

confere imunidade à corrosão. A retificação da onda trifásica foi feita com uma ponte trifásica

passiva de díodos.

Para permitir testar o conjunto da turbina, gerador e retificador foi criada uma carga

dinâmica, controlada remotamente, com a capacidade de captura dos valores de tensão, corrente

e velocidade angular. Todos os dados foram capturados por uma interface gráfica semelhante à

criada para o sistema de medição da potência mecânica.

65

4. Testes e resultados

Neste capítulo apresentam-se os resultados do estudo realizado com os sistemas de geração

hídricos para pequena escala. De modo a aferir as caraterísticas de cada componente do sistema,

foram realizados testes em cada secção do mesmo. Para o sistema Propeller e para o sistema

Pelton fizeram-se testes de potência mecânica e elétrica. A partir destes dados foi determinada

a eficiência de cada mecanismo.

4.1. Potência mecânica do sistema Propeller

Com o sistema Propeller pretendia-se avaliar a eficiência do mesmo para diferentes

caudais.

4.1.1. Condições de teste

O esquema de testes do sistema Propeller é apresentado em forma de diagrama na Figura

4.1. O tanque de captura é um recipiente paralelepipédico de plástico, modificado para

funcionar como uma levada (B) e o tanque de saída (F) é um balde fundo, de forma a reduzir o

efeito do impacto da corrente de água, que saia da tubagem de escape da turbina, com o fundo.

Este conjunto foi montado em cima de um tanque de recuperação com uma capacidade de 1000

L (G). A água era reciclada usando uma bomba de água (H). Para as experiências de baixa

queda esta tinha caudal suficiente para manter o sistema a funcionar de forma constante. Para

maiores quedas era necessário o suplemento de água da rede. De modo a remover ao máximo

as bolhas de ar e a turbulência criada pela bomba de recirculação de água e a inserção de água

da rede foi usado outro recipiente paralelepipédico como tanque de estabilização (A).

Figura 4.1 – Sistema de testes da turbina Propeller: (A) tanque de estabilização, (B) tanque de captura,

(C) medidor de binário e potência mecânica, (D) turbina, (E) Conduta, (F) tanque de saída, (G) tanque de

recuperação de água, (H) bomba de água, (I) válvula de bola, (J) fonte de água externa, (K) mangueiras rígidas,

(L) tubo de escapatória.

66

É de notar que o nível máximo de água era garantido através do tubo de escapatória (L), e

que a válvula (I) estava aberta no mínimo possível para manter o sistema em funcionamento

constante. A bomba (H) estava a funcionar no seu máximo e as mangueiras (K) são sólidas de

forma a impedir que colapsassem e mudem as condições de teste. Todas as imagens relativas a

estes testes podem ser observadas no Anexo P.

Na Figura 4.2, Figura 4.3 e Figura 4.4 são representados os testes efetuados com este

sistema. Foram efetuados testes com 3 quedas diferentes, 10 cm, 20 cm e 30 cm, sem tubo de

sucção, (a), com tubo de sucção direito, (b), e com tubo de sucção divergente, (c). Foi também

medido o caudal presente em cada montagem sem a turbina presente.

Figura 4.2 – Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 10 cm: a) sem tubo de

sucção, b) com tubo de sucção direito, c) com tubo de sucção divergente.

67

Figura 4.3- Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 20 cm: a) sem tubo de


Figura 4.4 – Condições de medição do binário e da potência para uma queda bruta de 30 cm: a) sem tubo de


68

O teste sem tubo com uma queda de 30 cm, Figura 4.4 (a), serviu para observar o efeito de

se ter a saída fora de água.

No teste sem tubo com uma queda de 20 cm e nos testes com tubo divergente e tubo direito

a 30 cm a saída da água encontrava-se praticamente ao nível da água a jusante.

A medição do binário da turbina foi feita usando o sistema de medição da potência

mecânica antes deste ser convertido para o mecanismo semiautomático. Como os gráficos

apresentavam uma dependência em relação à velocidade angular foi decidido aumentar a carga

imposta à turbina progressivamente, e manualmente capturar o valor do binário sempre que a

velocidade angular atingia um múltiplo inteiro de 2 Hz. A captura foi terminada quando a

turbina para de rodar.

4.1.2. Perdas na tubagem

Os testes sem turbinas serviram para aferir as perdas efetivas na tubagem de forma a

permitir calcular corretamente a queda útil. Estas experiências permitiram obter o fator β da

tubagem, como indicado pela equação (2.32). Com esse valor foi possível obter,

experimentalmente, a queda efetiva e determinar a eficiência da turbina. Os fatores β de cada

montagem são indicados na Tabela 4-1.

Tabela 4-1 – Valores de β para o sistema.

Queda bruta Sem bocal Com bocal direito Com bocal divergente

10 cm 117×103 116×103 95×103

20 cm 110×103 108×103 92×103

30 cm 291×103 107×103 96×103

É de notar uma coerência destes resultados para diferentes quedas, com a exceção da queda

sem bocal a 30 cm. Nesse caso, o sistema estava sujeito a uma queda bruta diferente. Usando

os valores anteriores obteve-se, usando a equação (2.33), uma queda bruta de 12 cm, um

resultado bastante inferior à diferença de altura entre o nível da água a montante e a saída da

água do sistema. Consequentemente, para este caso particular, concluiu-se que as equações para

o cálculo das perdas na conduta não funcionam e como tal não podem ser calculadas nem a

altura efetiva nem e a eficiência da turbina.

4.1.3. Análise dos resultados

A Figura 4.5 apresenta as curvas de potência e de binário para o sistema, testado com um

bocal reto e uma queda de 10 cm. Todos os gráficos relativos aos dados capturados estão

disponíveis no Anexo O.

69

Figura 4.5 – Resultados para uma queda bruta de 10 cm sem bocal.

É de notar que a partir do momento que a curva de binário chega ao topo o sistema para

rapidamente, ou seja, a partir desse momento a potência disponível cai rapidamente para zero.

Por este motivo, a curva a partir desse ponto é de difícil captura usando o sistema de captura de

binário em modo manual. O último ponto capturado, a zero rotações por segundo, é o binário

de bloqueio.

A queda rápida no binário deve-se ao efeito de perda de sustentação, devido à separação

do fluxo de água da superfície da hélice a jusante [29] [53].

Os gráficos das potências são apresentadas na Figura 4.6, Figura 4.7 e Figura 4.8 agrupados

por montagem.

Figura 4.6 – Resultados para as montagens sem bocal.

0

0.00014

0.00028

0.00042

0.00056

0.0007

0.00084

0.00098

0.00112

0.00126

0.0014

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)

Velocidade angular (rad/s)

Potência (mW) Binário (Nm)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200 250 300

Po

tên

cia

(mW

)


H=10 cm

H=20 cm

H=30 cm

70

Figura 4.7 – Resultados para as montagens com bocal reto.

Figura 4.8 – Resultados para as montagens com bocal divergente.

Nos gráficos do sistema com bocal divergente e com bocal reto é adicionada uma linha

para ligar os valores de potência máxima. É de notar que estes seguem uma curva que se

assemelha a uma exponencial. Isto era esperado visto que dois dos termos da equação de

potência, equação (2.13), são proporcionais à queda, nomeadamente o termo H (a queda) e Q

(o caudal que é dependente da velocidade v que, por sua vez, depende de H através de (2.27)).

Para comparar melhor o desempenho dos sistemas foram elaborados gráficos em que estes

estão agrupados por queda. Estes são apresentados na Figura 4.9, Figura 4.10 e Figura 4.11.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

(mW

)


Potência máxima

H=10 cm

H=20 cm

H=30 cm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400

Po

tên

cia

(mW

)


Potência máxima

H=10 cm

H=20 cm

H= 30cm

71

Figura 4.9 – Resultados para os sistemas com uma queda bruta de 10 cm.


0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200

Po

tên

cia

(mW

)


Sem bocal

Bocal direito

Bocal divergente

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300

Po

tên

cia

(mW

)


Sem bocal

Bocal direito

Bocal divergente

72


A partir destes resultados chegou-se à conclusão que ter mais tubagem no percurso adiciona

mais perdas de queda e diminui a potência captável, sendo que o tubo de vácuo divergente

aumenta a eficiência geral do sistema para todas as quedas. No entanto, é importante que nestes

sistemas não ocorra uma descarga descontrolada, como ocorre com o sistema sem bocal para

uma queda de 30 cm.

Caso só seja possível uma descarga fora da água pode ser esperada uma potência

semelhante ou inferior à obtida caso a marca piezométrica a jusante se encontrasse ao nível da

saída da água do sistema.

Foi medido o caudal usando o método de balde e cronómetro. Neste, um volume de teste

foi colocado no percurso do jato e é obtido o tempo até este encher. O teste foi repetido várias

vezes e o tempo médio foi registado. O caudal foi determinado dividindo o volume de teste pelo

tempo de enchimento [39]. No ponto de máxima potência, no ponto de máxima rotação e com

a turbina completamente parada, foi observado que o caudal era afetado. O caudal menor

ocorria na situação em que era extraída a máxima potência do sistema. Para diferentes caudais

tinha-se perdas e quedas efetivas diferentes, variando também a potência disponível. Desta

forma, a apresentação de curvas de eficiência implicava também a medição do caudal para todos

os pontos. Como tal, na Tabela 4-2 são somente apresentadas as eficiências da turbina quando

estava a funcionar em situação de máxima potência. Estes valores são relativos à potência

disponível com a queda útil presente.

Tabela 4-2 – Eficiências da turbina no ponto de máxima transferência de potência.

Sem bocal Com bocal direito Com bocal divergente

10 cm 43,4% 37,3% 38,4%

20 cm 60,7% 54,3% 62,3%

30 cm Não disponível 40,9% 56,0%

Para apresentar as curvas de eficiência para as várias situações de carga seria necessário

um medidor de caudal com medição contínua.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400

Po

tên

cia

(mW

)


Sem bocal

Bocal direito

Bocal divergente

73

É de notar que a eficiência máxima da turbina ocorria para um ponto na ordem dos 20 cm

de queda bruta e era praticamente independente da montagem. A geometria da conduta e o

formato do bocal influenciavam, principalmente, a queda útil e, consequentemente, a potência

capturada.

Um detalhe fundamental a ter em conta com este sistema é a entrada de ar na conduta

devido à pressão negativa a que este está sujeito. Refira-se que inicialmente existia um espaço

muito pequeno entre o eixo e o apertador do eixo, através do qual entravam bolhas de ar que

impediam o bom funcionamento da hélice. Esse espaço foi preenchido com silicone e o

apertador foi fixado ao eixo.

Note-se também que ter uma altura de água acima da tubagem de captura. A partir do

momento que ocorra um abaixamento do nível, como representado na Figura 4.12, o sistema

irá admitir ar e parar de funcionar até que o ar seja expelido pelo fundo. Isto ocorre porque o ar

não fica preso na conduta, devido ao grande caudal presente, e é forçado para a saída. Este

fenómeno é representado na Figura 4.12.

Figura 4.12 – Entrada de ar no sistema e o sistema a descartar as bolhas de ar.

É representado na Figura 4.13 o sistema a funcionar corretamente com uma saída sem

bolhas de ar.

Figura 4.13 – Sistema a funcionar em pleno.

74

4.2. Potência mecânica do sistema Pelton

Para o sistema Pelton pretendeu-se avaliar a eficiência do sistema com diferentes injetores.

4.2.1. Condições de teste

O esquema de teste do sistema Pelton está representado na Figura 4.14. Como o teste deste

sistema requeria muito pouco caudal e uma queda elevada, reciclar a água com a bomba usada

nos testes anteriores tornou-se muito pouco prático e pouco eficiente. Como tal, foi decidido

usar um recipiente, (G), cujo nível era mantido através de uma válvula de boia alimentada pela

rede de água, (A). O tanque de compensação, (D), é uma garrafa de água transparente com o

fundo cortado e um gargalo que encaixava na tubagem. Foi observado que este tinha a

capacidade de manter o sistema livre de bolhas e compensar rapidamente os efeitos de abertura

e fecho da válvula de controlo manual, representada por (K). A queda bruta, (E), foi de 4,27 m

em todos os testes. A turbina sob teste, (I), era movimentada por um jato formado pelo injetor

(F). A energia mecânica era transmitida para o medidor de binário e de potência (H).

Figura 4.14 – Sistema de teste das turbinas Pelton: (A) fonte de água externa, (B) válvula de boia,

(C) captura em aresta viva, (D) tanque de compensação, (E) queda bruta, (F) injetor, (G) tanque de captura,

(H) medidor de binário de potência mecânica, (I) turbina, (J) saída de água, (K) válvula de bola.

Na medição de binário deste sistema foi usado o método semiautomático, como

apresentado na secção 3.6.

Foi efetuada uma sequência de testes, com todas as turbinas criadas, com o injetor com o

diâmetro mais próximo do valor calculado, neste caso o injetor 3A (Tabela 3-2). Posteriormente

foram testados mais 3 injetores de diâmetros superiores, nomeadamente, os injetores 4, 5 e 7.

A qualidade dos jatos foi observada visualmente. Estes apresentavam uma boa coerência,

mas com algum enevoamento. Isto implicava turbulência que podia dever-se principalmente ao

acabamento interior do injetor. No entanto, foi também observado que o jato se mantinha

coerente a uma distância superior a 1 m. Tendo em conta que a distância horizontal entre o

injetor e a turbina era da ordem dos 2 centímetros considera-se que o jato era suficientemente

75

coerente para ser usado nesta aplicação. As fotografias destes testes podem ser consultadas no

Anexo Q.

O diâmetro real dos injetores foi determinado experimentalmente através do caudal e da

velocidade. Para determinar o caudal foi usada a técnica do balde e do cronómetro. A velocidade

do jato foi determinada através da distância horizontal que este percorria, quando projetado na

horizontal, através das equações de trajetória de projeteis [54]. As grandezas medidas estão

representadas na Figura 4.15.

Figura 4.15 – Medição de velocidade do jato.

A velocidade do jato é dada por:

𝑉𝑗𝑎𝑡𝑜 =

𝐷

√2𝐻𝑔

(4.1)

O diâmetro interno real do jato foi obtido dividindo o caudal medido pela velocidade

calculada. A queda bruta foi medida fisicamente com uma fita métrica enquanto a queda efetiva

foi calculada manipulando a equação (2.19). A potência disponível foi calculada em função do

caudal e da queda efetiva através da equação (2.13).

Todos os valores calculados são apresentados, para cada injetor, na Tabela 4-3.

Tabela 4-3 – Caraterísticas reais dos injetores.

Injetor Diâmetro interno

por desenho

(mm)

Diâmetro

interno real

(mm)

Queda

bruta (m)

Queda

efetiva

(m)

Caudal

(m3/s)

Potência

disponível

(mW)

1 1 0,74 4,27 1,55 0,0000024 36,0

2 1,5 1,248 4,27 3,01 0,0000094 277,8

3 2 1,89 4,27 3,29 0,0000226 727,6

3A 2,1 2,14 4,27 3,69 0,0000305 1103,3

4 2,5 2,29 4,27 3,69 0,0000349 1261,3

5 3 2,92 4,27 3,69 0,0000568 2052,5

6 3,5 3,34 4,27 3,69 0,0000745 2692,2

7 4 3,99 4,27 3,61 0,0001056 3734,8

8 4,5 4,63 4,27 3,55 0,0001405 4892,5

Na Figura 4.16 é apresentado um exemplo dos gráficos de potência obtidos com todas as

turbinas de menor diâmetro e com o injetor 3A. É de notar a grande variação dos resultados

obtidos ao variarem-se algumas das caraterísticas geométricas das turbinas.

Todos os gráficos relativos aos resultados podem ser consultados no Anexo R.

76

Figura 4.16 – Potência para as várias turbinas com o injetor 3A.

4.2.2. Comportamento da água ejetada

Durante os testes foi possível observar em alguns dos sistemas os vários pontos de

funcionamento. Quando a carga no eixo era nula muita da água projetada pelo injetor seguia

em frente como se a turbina não estivesse lá. À medida que a carga era imposta sobre o eixo a

água ejetada das turbinas com divisória dividia-se em dois jatos que se deslocavam na direção

do jato principal até atingirem trajetórias paralelas ao eixo da turbina. Neste ponto ocorria o

máximo ponto de transferência. Aplicando mais carga fazia com que os jatos de saída se

deslocassem mais na direção do injetor. Quando a turbina era parada a água descartada percorria

duas trajetórias iguais ao ângulo de saída das colheres. Estes fenómenos estão representados na

Figura 4.17.

Figura 4.17 – Efeito da carga no ângulo de saída da água.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia(

mW

)


Turbina 1

Turbina 2

Turbina 3

Turbina 4

Turbina 5

Turbina 6

Turbina 7

Turbina 14

Turbina 15

Turbina 16

Turbina 17

Turbina 18

77

4.2.3. Análise dos resultados

A Figura 4.18 apresenta as curvas de potência relativas à turbina com a qual foi tido algum

cuidado com o acabamento da superfície, indicada como turbina tratada, e uma turbina idêntica

em que não houve esse cuidado, indicada como turbina não tratada.

Figura 4.18 – Resultados dos ensaios com uma turbina com tratamento e uma turbina sem tratamento.

Do gráfico é possível concluir que o cuidado com a qualidade de superfície aumenta a

potência captada e, consequentemente, a eficiência.

A Figura 4.19 apresenta os efeitos da supressão da divisória central das colheres da turbina.

Figura 4.19 – Resultados com e sem divisória central.

A Figura 4.19 permitiu concluir que a divisória central tem um papel importante.

Incorporar um separador de jato melhora a forma da curva de potência, que fica mais

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500

Po

tên

cia(

mW

)


Turbina não tratada - injetor 3A

Turbina tratada - injetor 3A

Turbina não tratada - injetor 4

Turbina tratada - injetor 4





0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500

Po

tên

cia(

mW

)


Sem divisória - Injetor 3A

Com divisória - Injetor 3A

Sem divisória - Injetor 4

Com divisória - Injetor 4





78

arredondada e centrada no ponto esperado, a metade da velocidade do jato. É de notar que em

todas as situações os sistemas sem divisórias tinham o seu pico de potência para rotações mais

elevadas. Outro detalhe peculiar é a existência de instabilidade no topo da curva, facilmente

visível na curva do injetor 3A na turbina sem divisória. Durante os testes preliminares com o

sistema de captura manual foi notado que era muito difícil manter manualmente esse ponto de

operação.

Na bibliografia são encontradas sempre turbinas de grande escala com mais de vinte pás e

a equação de dimensionamento (2.18) indica que esse número tem que ser no mínimo 15. No

entanto, segundo a Figura 4.20, esse não é o caso em sistemas de pequena escala. As turbinas

com menos pás apresentaram melhores resultados. Pensa-se que os efeitos viscosos da água a

esta escala são suficientemente relevantes para reduzirem a eficiência do sistema quando este

não tem espaço entre os baldes para escoar a água.

Figura 4.20 – Resultados da variação da eficiência em relação ao número de colheres.

Para 3 dos injetores testados o número ótimo de colheres foi de 12, como observado na

Figura 4.21. Abaixo deste valor parte do jato era desperdiçado no espaço entre duas colheres.

Figura 4.21 – Influência do número de colheres na eficiência.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500

Efic

iên

cia

(%)


10 colheres

12 colheres

15 colheres

19 colheres

22 colheres

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 12 14 16 18 20 22

Efic

iên

cia

(%)

Número de colheres

Injetor 3A

Injetor 4

Injetor 5

Injetor 7

79

É possível observar nos gráficos quando uma turbina começava a entrar em choque de

entrada. Quando a curva da potência deixa de ser simétrica e tende para o lado direito, lado das

altas rotações, começa a aparecer este fenómeno. Isto é claramente notório nos gráficos da

turbina 7 na Figura 4.22.

Figura 4.22 – Eficiência da turbina 7.

Na Figura 4.23 estão representadas as curvas de binário da turbina 7 e da turbina 5 com o

injetor 5. Nestas é fácil notar os efeitos do choque de entrada. A turbina 5 tem uma curva de

binário que aparenta uma reta, enquanto a curva da turbina 7 apresenta alguma ondulação.

Figura 4.23 – Comparação da forma da curva de binário.

Segundo os gráficos de eficiência das turbinas com divisória central, como, por exemplo,

o mostrado na Figura 4.24, um jato ligeiramente sobredimensionado melhora a eficiência. Um

grande aumento faz perder eficiência pois torna-se difícil escoar a quantidade de água que lhe

é projetada.

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)


Injetor 3A Injetor 4 Injetor 5 Injetor 7

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)


Turbina 5 Turbina 7

80

Figura 4.24 – Eficiência da turbina 5.

Comparando a Figura 4.22 e a Figura 4.24 há um outro detalhe a observar. A eficiência da

turbina 5 tem um pico nos 29% e depois baixa com um jato de diâmetro superior. No entanto,

a turbina 7, que estava sujeita completamente a choque de entrada, ainda não chegou ao seu

limite de eficiência, podendo até apresentar eficiências superiores com um jato de diâmetro

superior, à custa de um maior consumo de água.

Nos testes relativos à dependência da eficiência em relação à dimensão, usando a turbina

8, turbina 15 e a turbina A, muito semelhantes entre si em número de colheres e geometria, foi

observado que quanto maior era o diâmetro da roda mais eficiente era a turbina. Isto é observado

na Figura 4.25.

Figura 4.25 – Influência da dimensão e potência disponível na eficiência.

As curvas são apresentadas em função da potência disponível, a qual é dependente da queda

e do caudal presente no injetor.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)

Potência disponível (mW)

Turbina pequena

Turbina média

Turbina grande

81

O que também pode ser notado é que com o aumento do diâmetro da turbina era reduzida

a velocidade angular em aberto, e o ponto de máxima transferência de potência ocorria para

velocidades mais baixas, como é observado na Figura 4.26. Pelo que se concluiu que é

importante adequar a turbina ao gerador ou vice-versa.

Figura 4.26 – Influência da dimensão na eficiência.

Na maioria dos desenhos de turbinas Pelton de grande escala é observado um ângulo entre

as colheres e o raio da turbina. Este ângulo é exemplificado na Figura 3.36, usando as turbinas

impressas. Nos testes para averiguar a influência desta característica de desenho em sistemas

de pequena escala foi observado que o avanço resultante deste ângulo era prejudicial à

eficiência da turbina. Essa influência é observada na Figura 4.27, Figura 4.28 e Figura 4.29.

Figura 4.27 – Efeito do ângulo na turbina 8 e 9.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)


Turbina pequena Turbina média Turbina grande

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)

Potência disponivel (mW)

Turbina 8 - Sem ângulo Turbina 9 - Com ângulo

82



Em virtude dos resultados presentes no Anexo R foi ainda possível concluir que o teste da

turbina 7, com pás planas localizadas perto do eixo, em relação à turbina 7 invertida revelou

que a orientação não influenciava substancialmente os resultados.

Foi também observado que no teste da turbina 6, com pás planas avançadas relativamente

às da turbina 7, revelou ser uma turbina relativamente adequada para cargas em baixas rotações,

cuja eficiência máxima rivaliza com outras turbinas com geometrias mais elaboradas.

Em termos de superfície de impacto do jato as turbinas 6 e 7 são iguais. Onde estas

divergem é no avanço da pá, ou seja, a superfície de impacto da turbina 6 está mais próxima do

injetor do que a superfície da turbina 7. Isto leva a crer que a maior parte do trabalho do jato

nas turbinas com divisória central ocorre de forma distribuída ao longo da profundidade desta.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)



83

4.3. Comparações entre os dois sistemas

De modo a comparar os dois sistemas foi escolhido o mais eficiente entre estes e entre cada

escala de turbina e foi elaborado um gráfico, presente na Figura 4.30. É de notar que a curva do

sistema Propeller é uma aproximação pelas razões apresentadas anteriormente.

Figura 4.30 – Comparação entre as turbinas Pelton e a turbina Propeller.

O sistema Pelton tende a ter uma curva de eficiência mais larga e mais estável. O sistema

Propeller embora tenha uma eficiência superior perde muito em termos de gama útil de

potência.

4.4. Gerador elétrico e retificador

As formas de onda das fases do gerador são apresentadas na Figura 4.31.

Figura 4.31 – Forma de onda da saída trifásica do gerador.

A tensão em aberto à saída do retificador foi medida para várias velocidades de rotação e

os resultados são apresentados na Figura 4.32. É de notar a dependência linear da tensão

relativamente à velocidade angular.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400 500

Efic

iên

cia

(%)


Pelton 10 - Injetor 5

Pelton 16 - Injetor 5

Pelton A- Injetor 4

Pelton de metal - Injetor 5

Propeller 20 cm - Bocal largo

84

Figura 4.32 – Linearidade da tensão em relação à velocidade angular do gerador.

Aplicando vários valores de carga resistiva e de velocidade de rotação mediu-se a corrente

e a tensão de saída. Através desses valores foi obtida a curva para a resistência interna

equivalente do sistema gerador e retificador. Foi observado que esta variava de forma

inversamente proporcional à corrente. Esta dependência pode ser observada na Figura 4.36, em

conjunto com uma curva que a segue aproximadamente.

Figura 4.33 – Resistência interna equivalente do conjunto gerador e retificador em relação à corrente.

A curva de aproximação foi criada através de

𝑅𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 =2 × 𝑉𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜

𝐼+ 𝑅𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

(4.2)

com Vdiodo a tensão de queda em cada díodo do retificador, assumida como sendo 0,3 V, I a

corrente instantânea que passa pelo díodo e Rgerador a resistência interna do gerador por fase

cujo valor medido foi de 2,1 Ω.

y = 0.0299x

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350

Ten

são

(V

)


0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Res

istê

nci

a (Ω

)

Corrente (A)

Medições Aproximação

85

4.5. Potência elétrica com a turbina Pelton

Tendo os dados relativos à potência mecânica das turbinas, foi feita uma seleção de seis

turbinas, com o melhor desempenho geral, duas de cada dimensão. Estas foram as turbinas 8,

10, 15, 16, A e a turbina Pelton de metal usada em [16]. Os injetores usados foram o 4, 5 e 7.

A este sistema foi acoplado o gerador dimensionado na secção 3.8.

4.5.1. Sistema com a turbina, gerador e retificador

Com o gerador ligado ao sistema hídrico e usando a carga variável e a interface

desenvolvida foi possível obter gráficos semelhantes ao da Figura 4.34. Todos os gráficos

relativos a esta experiência encontram-se no Anexo S.

Figura 4.34 – Potência elétrica da turbina 8 para vários injetores.

Verificou-se que existia uma relação aproximadamente linear entre a tensão e a velocidade

angular, como se pode observar na Figura 4.35.

Figura 4.35 – Relação entre a tensão e velocidade angular.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)


Injetor 4 Injetor 5 Injetor 7

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ten

são

(V

)



86

Usando (4.1) para obter a resistência parasita em cada ponto de funcionamento foi

observada uma dependência entre a corrente gerada e o binário gerado estimado.

Figura 4.36 – Relação entre a corrente e o binário relativamente à velocidade angular.

A eficiência máxima dos conjuntos testados encontra-se na Tabela 4-4.

Tabela 4-4 – Eficiência máxima dos sistemas.

INJETOR TURBINA

8

TURBINA

10

TURBINA

15

TURBINA

16

TURBINA

A

TURBINA DE

METAL

4 22,3% 20,5% 19,5% 19,5% 28,2% 24,9%

5 25,0% 22,3% 25,0% 24,2% 29,9% 32,7%

7 27,9% 24,9% 23,2% 23,6% 30,3% 35,9%

A Figura 4.37 apresenta as eficiências das turbinas testadas em função da potência

disponível no injetor, a qual depende da queda e do caudal.

Figura 4.37 – Eficiência dos sistemas relativamente à potência.

0

0.0014

0.0028

0.0042

0.0056

0.007

0.0084

0.0098

0.0112

0.0126

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 100 200 300 400

Bin

ário

(N

m)

Co

rren

te (

mA

)


Injetor 4 - Corrente



Injetor 4 - Binário



0

5

10

15

20

25

30

35

40

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)


Turbina 8

Turbina 10

Turbina 15

Turbina 16

Turbina A

Turbina de metal

87

É de notar que as turbinas 15 e 16, de pequena dimensão, e a 10, de média dimensão, tinham

o seu pico com o injetor 5, enquanto as restantes não tinham um máximo definido neste

conjunto de dados. Era necessário um injetor maior ou uma queda maior para se chegar ao

ponto de ser observado um máximo.

4.5.2. Comportamento do gerador e retificador

Comparando a potência mecânica com a potência elétrica é obtida a eficiência do gerador

e retificador ao longo da gama de velocidade angular. Um exemplo é apresentado na Figura

4.38. Os restantes gráficos podem ser consultados no Anexo T.

Figura 4.38 – Eficiência do gerador e retificador em relação à velocidade angular.

São de notar os topos parcialmente achatados. Nas altas rotações ocorria uma perda de

eficiência, devido aos efeitos do atrito nos rolamentos, indução magnética na superfície dos

condutores e um aumento da resistência parasita dos díodos do retificador quando a corrente

era baixa. Nas baixas rotações, onde o valor da corrente era elevado, as perdas ocorriam por

efeito de joule na resistência interna do gerador e nos díodos do retificador.

Os valores da eficiência de pico do gerador em conjunto com o retificador são agregados

na Tabela 4-5.

Tabela 4-5 – Eficiência de pico do gerador para cada turbina.

INJETOR TURBINA

8

TURBINA

10

TURBINA

15

TURBINA

16

TURBINA

A

TURBINA DE

METAL

4 63,0% 56,1% 60,2% 60,5% 67,9% 54,8%

5 63,6% 60,9% 65,6% 65,1% 75,4% 67,2%

6 76,3% 72,9% 77,6% 79,9% 80,4% 82,7%

Estes dados são representados graficamente na Figura 4.39 em função da potência

disponível.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



88

Figura 4.39 – Dependência entre a eficiência e a potência disponível.

Foi feito um segundo gráfico, apresentado na Figura 4.40, com a dependência da eficiência

com a velocidade angular.

Destes dois últimos gráficos chega-se à conclusão que quanto maior for a potência

disponível e maior a velocidade angular melhor será a eficiência do gerador e retificador. Uma

maior potência implica que a potência perdida no retificador, que só depende da corrente que

por lá passa, represente uma fatia mais pequena da potência total. Uma maior velocidade

angular provoca uma tensão maior aos terminais, que faz com que a tensão de condução dos

díodos represente uma percentagem menor da tensão de saída, e uma corrente de saída menor,

que provoca menos perdas nas resistências parasitas presentes no gerador e retificador.

Figura 4.40 – Eficiência do conjunto gerador e retificador em relação à velocidade angular.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Efic

iên

cia

(%)


Turbina 8

Turbina 10

Turbina 15

Turbina 16

Turbina A

Turbina de metal

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

120 140 160 180 200 220 240

Efic

iên

cia

(%)


Turbina 8

Turbina 10

Turbina 15

Turbina 16

Turbina A

Turbina de metal

89

4.6. Potência elétrica com a turbina Propeller

Foi observado o comportamento do gerador quando acoplado à turbina Propeller. Foi

escolhida a montagem com o tubo de sucção divergente e os testes foram realizados para 10,

20 e 30 cm de queda. Na Figura 4.41 são representados os dados de potência elétrica em relação

à velocidade angular.

Figura 4.41 – Potência elétrica para a turbina Propeller.

A potência elétrica máxima obtida para uma queda de 30 cm era próxima da potência

elétrica requerida.

A eficiência do sistema Propeller com o gerador e retificador, quando estava a funcionar

no ponto de máxima transferência de potência, era de 27% para uma queda de 10 cm, 38%,

para uma queda de 20 cm, e 41% para uma queda de 30 cm. Isto é esperado, visto que com um

aumento da queda ocorre um aumento da potência mecânica e da velocidade angular.

Consequentemente, as perdas de potência e da queda de tensão aos terminais do retificador

representam uma percentagem menor da potência produzida e da tensão aos terminais do

gerador.

4.7. Conversor DC-DC comutado

De forma a aferir a eficiência do conversor DC-DC dimensionado, foram realizados testes

com três cargas diferentes, para três níveis de tensão e com uma variação de 5% do fator de

ciclo entre cada medição, começando nos 20% e acabando nos 80%. Os resultados são

representados graficamente na Figura 4.42. Nesta figura é observado que quanto maior for a

carga imposta no regulador mais estreita é a banda útil de conversão. É também verificado que

a eficiência em torno da zona onde a tensão de saída e de entrada são iguais varia entre os 80%

e os 90%, dependendo da carga aplicada. Para situações em que a corrente é baixa começa a ser

notório o efeito da resistência equivalente de perdas no díodo. O rácio de conversão, neste

circuito de conversão, é dado pela equação (2.6), ou seja, é a relação entre a tensão de saída e a

tensão de entrada num conversor ideal.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

elet

rica

(m

W)


30 cm

20 cm

10 cm

90

Figura 4.42 – Eficiência do conversor DC- DC.

Usando uma câmara termográfica foi observado que o díodo era o elemento que causava

grande parte das perdas no circuito de regulação.

4.8. Nó sensor

Com o nó sensor, apresentado em 3.10, montado e ligado ao sistema hídrico Pelton foram

obtidas algumas curvas de funcionamento.

4.8.1. Testes de variação de carga

A Figura 4.43 apresenta o nó sensor montado no apoio do injetor do sistema Pelton. A

queda foi mantida em relação aos testes anteriores.

Figura 4.43 – Nó sensor.

Para os testes foram utilizadas a turbina 8, a turbina 15, a turbina A e a turbina de metal.

Estas são testadas com o injetor 5 e o injetor 7, uma vez que estes apresentavam as melhores

eficiências e forneciam a potência requerida.

Foram obtidos vários gráficos relativos ao funcionamento destes sistemas. Estes podem ser

consultados no Anexo V.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4

Efic

iên

cia

(%)

Rácio de conversão

100 ohm

50 ohm

22 ohm

91

A Figura 4.44 apresenta as curvas relativas à potência que era injetada na bateria,

representada pela potência de entrada, e a potência que era extraída da bateria, representada

pela potência de saída, em relação à velocidade angular. É de notar que a bateria carregava

somente quando a curva da potência de entrada era superior à curva da potência de saída.

Figura 4.44 – Relação entre a potência de entrada, potência de saída e a velocidade angular.

Na Figura 4.45 e na Figura 4.46 é observado o ponto a partir do qual o regulador começava

a impor carga no gerador. Este ponto variava de turbina para turbina e de injetor para injetor.

Quanto maior for a potência disponível mais larga era a curva de potência. Quanto mais lenta

fosse a turbina, como no caso da turbina A, cujo ponto de máxima potência ocorria a uma

velocidade angular inferior às restantes turbinas, maior era o fator de ciclo necessário.

Figura 4.45 – Relação entre a velocidade angular, potência de entrada e fator de ciclo para a turbina 8 e

injetor 5.

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)


Potência de entrada Potência de saida

0

60

120

180

240

300

360

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)

Potência de entrada Velocidade angular

92

Figura 4.46 – Relação entre a velocidade angular, potência de entrada e fator de ciclo para a turbina A e

injetor 5.

Como mostra a Figura 4.47, existe uma relação direta entre a potência de entrada e a

corrente de entrada, o que permite simplificar o algoritmo de controlo de carga e MPPT.

Figura 4.47 – Comparação entre a potência de entrada e a corrente de entrada.

Na Figura 4.48 é observado o algoritmo de procura do máximo ponto de transferência a

funcionar. É verificado que o algoritmo varia o fator de ciclo continuamente à procura do

melhor ponto de extração de potência e que este estabiliza na potência de pico encontrada no

teste de varrimento.

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)

Corrente de entrada Potência de entrada

93

Figura 4.48 – Efeito na potência de entrada em relação ao fator de ciclo.

Deixando o algoritmo correr durante cerca de 20 segundos, de forma a estabilizar num

ponto, foi obtido o erro, ou seja, a diferença entre a potência máxima localizada pelo algoritmo

e a potência máxima localizada pelo teste de varrimento. Este encontrava-se entre os 0,24% e

3,4%.

A eficiência do sistema completo, desde a captura até à bateria, está representada na Tabela

4-6, organizada por injetor e por diâmetro de turbina.

Tabela 4-6 – Eficiência do sistema em relação à turbina e injetor.

Turbina 15 Turbina 8 Turbina de metal Turbina A

Injetor 5 18,4% 23,6% 27,6% 21,8%

Injetor 7 18,1% 21,3% 29,2% 22,1%

Desta é observado que quanto maior for o diâmetro da turbina melhor eficiência geral tinha o

sistema.

4.9. Densidade de potência

O volume ocupado pela turbina e injetor do sistema Pelton, sem a tubagem, é de 135 cm3.

O sistema Propeller ocupa cerca de 181,5 cm3. Isto implica que, para os sistemas com maior

eficiência, a densidade de potência para o sistema Pelton é de 3,79 mW/cm3 e para o sistema

Propeller é de 3,3 mW/cm3.

Os sistemas eólicos apresentados na bibliografia, que ocupam um volume semelhante

apresentam densidades na ordem dos 0,2 a 5 mW/cm3.Um módulo solar retangular típico de 1

W e com um volume de 20 cm3 tem uma densidade de potência na ordem dos 50 mW/cm3.

Quando comparados com sistemas puramente mecânicos, como as turbinas eólicas, os

sistemas hídricos apresentam uma densidade de potência semelhante. Quando comparados com

0

10

20

30

40

50

60

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70

Fato

r d

e ci

clo

(%

)

Po

tên

cia

(mW

)

Tempo (s)

Potência de entrada Fator de ciclo

94

o sistema de captura de energia mais comum, os sistemas solares fotovoltaicos, é observada

uma densidade menor, ou seja, os sistemas hídricos desenvolvidos têm uma densidade de

potência uma ordem de grandeza inferior aos sistemas de captura solar.

Ao contrário das fontes eólicas e das fontes solares a densidade de potência para sistemas

hídricos não tende a variar de forma drástica desde que haja uma fonte adequada de água. A

potência captável para sistemas eólicos varia com a velocidade do vento, uma variável caótica

e imprevisível. Para sistemas solares a potência captada durante a noite é nula e durante o dia

esta varia de forma gradual, desde que não haja eclosão por nuvens, cuja posição e padrões de

deslocamento são caóticos mas previsíveis.

4.10. Conclusões

No sistema Propeller a turbina tende a ter a mesma eficiência independentemente da

tubagem de captação de água. A eficiência desta depende acima de tudo da queda disponível e

da carga imposta no seu eixo. O sistema na sua totalidade ganha eficiência quando é usado um

tubo de sucção divergente, visto este reduzir as perdas de queda relativas à saída de água e

aumentar o diferencial de vácuo na turbina.

O sistema Pelton tem uma eficiência mais baixa. Isto deve-se em parte à influência da

viscosidade da água a esta escala, à rugosidade relativa e à influência da perda nos rolamentos.

Embora mais eficiente do que o sistema Pelton, o sistema Propeller perde um pouco na

largura de potência usável. Sem o recurso a sistemas de adaptação de carga torna-se muito

difícil ligar o sistema diretamente a uma carga de forma eficiente. O ambiente perfeito para este

sistema são condutas de rega e percursos de água corrente com pouca queda e muito caudal,

como levadas ou ribeiras.

O sistema Propeller pode ser melhorado, reduzindo a quantidade de curvas no canal, e

estreitando a zona onde a turbina fica localizada em relação à restante conduta, para permitir

uma velocidade de rotação mais elevada. É também possível usar algum mecanismo de criação

de vorticidade mais perto da hélice, de forma a reduzir os efeitos de perda de sustentação.

Foi obtida uma série de boas práticas para o dimensionamento das turbinas para sistemas

de muito pequena escala, nomeadamente no que toca ao número de colheres, diâmetro,

geometria da colher e ângulo da colher relativamente ao raio.

O sistema do gerador e retificador quando acoplado ao sistema Pelton tem uma potência

de saída que segue de forma muito próxima a forma da curva da potência mecânica.

O algoritmo de pesquisa do ponto de máxima transferência de potência consegue

compensar variações na potência disponível.

A turbina de metal tem uma série de caraterísticas que a ajudaram a obter uma eficiência

superior. Esta tem um número de pás igual a 12, pelos gráficos foi observado que usa o choque

de entrada para ganhar eficiência nas altas rotações e não tem o ângulo entre as colheres e o

raio.

Os sistemas hídricos dimensionados e testados neste trabalho apresentam densidades de

energia equiparáveis aos sistemas de captura eólicos, mas inferiores aos sistemas de captura de

energia solar em termos de densidade de potência.

95

5. Conclusões e trabalhos futuros

Neste capítulo são apresentadas as conclusões finais e possíveis trabalhos futuros.

5.1. Conclusão

O objetivo principal do presente trabalho foi o de desenvolver um sistema de captação de

energia hídrica adequado para fins de alimentação de nós sensores. Para isso foram criados dois

sistemas, um para baixa queda e grande caudal, sistema Propeller, e outro para grande queda e

baixo caudal, sistema Pelton.

Para o sistema Propeller foi usada uma solução comercial para a turbina e rolamento

impermeável. O restante material foi baseado em tubos de PVC padrão e peças criadas numa

máquina de impressão 3D.

Tendo em conta o objetivo principal, todo o sistema Pelton foi desenhado de raiz e

fabricado na máquina de impressão 3D.

Ambos os sistemas foram testados com uma máquina de medição de potência mecânica

desenvolvida para ser usada neste trabalho, que permitia testar o sistema Propeller de forma

manual e o sistema Pelton de forma semiautomática.

Posteriormente ambos os sistemas foram acoplados a um gerador e a um retificador e o seu

desempenho foi testado usando uma carga dinâmica controlada remotamente.

Por fim foi acoplado um sistema sensor sem fios ao sistema Pelton com o gerador e

retificador a funcionarem como carga. Isto foi feito de forma a verificar a viabilidade do sistema

hídrico desenvolvido para fins de alimentação de um nó sensor.

Para aferição da eficiência mecânica dos sistemas foram testadas 9 combinações para o

sistema Propeller e 84 combinações para o sistema Pelton.

A eficiência máxima da turbina Propeller foi de 62%, enquanto para a turbina Pelton foram

encontradas combinações cuja eficiência máxima, para as turbinas impressas, foi de 37% para

as turbinas pequenas, 42% para as turbinas médias e 41% para a turbina impressa grande. A

turbina de metal, apresentada em [16], obteve uma eficiência de 48% nos testes efetuados.

As eficiências obtidas são inferiores às dos sistemas de grande dimensão, como acontece

noutros sistemas de pequena escala, nomeadamente nas turbinas eólicas. As turbinas Pelton

apresentaram eficiências mais baixas do que a turbina Propeller. As razões possíveis para isso

passam pela influência da viscosidade a esta escala, a rugosidade relativa elevada devido às

turbinas serem impressas numa máquina de impressão 3D de baixa qualidade e a influência dos

atritos nos rolamentos usados.

Do estudo efetuado foi possível observar uma série de caraterísticas importantes a ter em

conta quando é dimensionado um sistema hídrico de pequena escala.

Para sistemas Propeller é fundamental garantir o caudal necessário, pois qualquer bolha de

ar que entre no sistema reduz substancialmente a capacidade de captação de energia. O tubo de

sucção também é muito importante, visto reduzir as perdas na tubagem. Foi observado que é

uma boa prática garantir que a saída de água se encontre submersa. Uma descarga fora da água

faz perder parte da energia potencial de vácuo criada por uma tubagem cheia de água a jusante

da turbina. Quanto mais curta for a tubagem maior será a potência captada devido à menor

perda de queda nas paredes desta.

96

Para sistemas Pelton chegou-se à conclusão que muitas das diretrizes de dimensionamento

para turbinas de grande escala não funcionam para sistemas com a escala usada neste trabalho.

Para sistemas Pelton de muito pequena escala devem ser usadas turbinas com divisória central,

envernizadas, bem centradas relativamente ao eixo e ao jato, sem um ângulo entre a colher e o

raio da turbina, com um total de 12 pás e um jato ligeiramente maior que o dimensionado pelas

equações para grande escala. Esta configuração confere uma curva de potência larga e suave.

Por outro lado um mecanismo mais fácil para aumentar a eficiência é simplesmente aumentar

o diâmetro da turbina.

Refira-se que todos os sistemas criados conseguiram atingir ou exceder a potência e a

velocidade angular requerida para o gerador projetado.

Os testes iniciais foram efetuados usando um método completamente manual, um processo

moroso e incapaz de observar mudanças bruscas. A passagem para um método semiautomático

aumentou substancialmente a capacidade de captura e análise dos sistemas criados.

O acoplamento do gerador aos sistemas hídricos permitiu obter a eficiência global do

sistema antes do regulador. Nos sistemas Pelton a eficiência máxima variou entre 25%, para

uma turbina de menor escala, e 36%, para a turbina de maior diâmetro. Por sua vez, foi

observado que a eficiência de pico do conjunto do gerador e retificador variou entre os 56% e

os 83%, nos testes efetuados, dependendo da carga aplicada e da potência disponível. A

eficiência deste conjunto tendeu a subir com potências disponíveis mais elevadas e para

velocidades de rotação mais elevadas visto a perda de potência e de tensão nos díodos

representar uma percentagem inferior da potência e da tensão total.

O sistema de captura completamente automático usado na obtenção dos dados de potência

elétrica melhorou imenso a qualidade dos dados e velocidade a que estes eram obtidos.

O conversor DC-DC comutado conseguiu ter uma eficiência na ordem dos 80% a 90%,

dependendo da carga. Quando o rácio da tensão da saída em relação à tensão de entrada era

diferente da unidade a eficiência tendia a baixar.

O nó sensor foi testado com múltiplas turbinas e vários injetores. Em todos os casos, a

potência elétrica fornecida à bateria excedia a potência que lhe era extraída, possibilitando o

carregamento desta. A eficiência geral do sistema como o nó sensor variou entre os 18,1% para

a turbina 15 e os 29,2% para a turbina de metal.

Alterando um pouco o algoritmo foi possível manter o nó sensor a funcionar sem recurso

à bateria, bastando para isso o uso de um condensador de grande capacidade e de uma carga de

arranque inicial.

As vantagens dos sistemas hídricos estudados são a densidade de potência apreciável e a

estabilidade da fonte de energia, ou seja, desde que exista caudal o sistema pode funcionar 24

horas por dia de forma previsível. Pelo contrário, os sistemas eólicos estão dependentes do

vento que tem uma natureza caótica e os sistemas solares só funcionam durante o dia e têm um

nível de potência capturável que varia ao longo deste.

A principal desvantagem deste sistema relativamente a sistemas solares e eólicos é a

cobertura, ou seja, estes sistemas requerem um fluxo de água adequado para as suas

necessidades, enquanto os sistemas eólicos e solares podem ser montados numa maior

variedade de localizações.

97

5.2. Trabalhos futuros

Ao longo deste trabalho foram sendo observados alguns detalhes que podem ser

melhorados ou expandidos em trabalhos futuros.

Começando pelo sistema Propeller a grande melhoria que o sistema poderá sofrer é a

supressão das curvas na tubagem e a implementação de uma caixa de voluto ou diretrizes finas

perto da turbina. Outra melhoria passará por usar uma tubagem de captura com um diâmetro

superior ao da turbina. Isto permitirá aumentar a velocidade da água a passar na turbina e

reduzirá as perdas por atrito na tubagem.

Quanto à turbina Pelton é proposta a mudança dos rolamentos para unidades melhor

dimensionadas para a carga em questão, ou seja, utilizando rolamentos mais pequenos e um

eixo mais estreito. Um outro ponto de melhoria será o uso de injetores de metal, criados num

torno de precisão, sendo estes muito mais duráveis além de não sofrerem da influência da

qualidade da superfície interior.

98

99

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103

Anexo A. Tecnologias de produção de células fotovoltaicas

As tecnologias mais comuns para produção solar são as células de silício cristalino, a

tecnologia de filme fino e a tecnologia de semicondutores compostos.

As células de silício cristalino pertencem à primeira geração de células fotovoltaicas. Estas

têm sido desenvolvidas e melhoradas ao longo dos anos. Dois exemplos de células de silício

cristalino são as células monocristalinas e as células policristalinas. A tecnologia

monocristalina é a mais comum por ser relativamente eficiente e rentável, sendo que a

tecnologia policristalina troca alguma desta eficiência por um custo menor [14].

Uma tentativa de melhorar a tecnologia de silício cristalino vem da tecnologia de filme

fino. Esta promete reduzir o custo do material, mantendo a longevidade e a qualidade e

reduzindo os efeitos nefastos para a natureza. A diferença principal desta tecnologia

relativamente à anterior prende-se com o facto que o material é depositado em camadas muito

finas, na ordem de alguns micrómetros, num substrato de vidro ou aço inox. Devido ao processo

rápido de depositação há uma redução do custo de manufaturação e do material. Como a

quantidade de material fotovoltaico é mais fina do que numa célula cristalina, reduzindo a zona

de interação dos fotões, a eficiência tende a ser menor. A grande vantagem desta tecnologia

reside na versatilidade dos materiais depositáveis, permitindo um aumento de eficiência e da

resistência a variações de temperatura, e no substrato que pode ser flexível e robusto. Há quatro

tipos testa tecnologia, nomeadamente as células de silício amorfo, silício policristalino fino

depositado num substrato de baixo custo, células de heterojunção de telureto de cádmio/sulfeto

de cádmio e às células de heterojunção de cobre-índio-selénio/sulfeto de cadmio. As células de

silício absorvem mais do espectro visível e têm uma eficiência inferior as células de silício

cristalino, mas uma vez que as camadas depositadas são muito finas, é possível depositar

variações do material que conseguem capturar outras gamas espectrais. Estas células são

conhecidas como células de silício amorfo de múltipla junção.

Uma outra forma de melhorar a eficiência é depositando uma camada de silício amorfo

sobre silício policristalino. Isto permite capturar uma largura espectral maior, visto que cada

material responde melhor a zonas espectrais que não são capturadas pelo outro [14].

As células de telureto de cádmio têm propriedades que fazem com que este seja o material

ideal para capturar o máximo de radiação solar, No entanto, a disponibilidade limitada de telúrio

e a toxicidade do cádmio não permitem uma redução de custos adequada e fazem com que esta

tecnologia possa ser um perigo para a saúde e para a natureza. Uma variante com propriedades

muito boas em termos elétricos e de absorção ótica são as células de heterojunção de cobre-

índio-selénio. Estas tendem a ter a melhor eficiência entre as várias tecnologias de filme fino e

permitem uma multitude de tecnologias de depositação. É possível melhorar ainda mais a

eficiência, até 20%, adicionando gálio. As principais limitações desta tecnologia prendem-se à

limitação do fornecimento mundial de índio e a sua degradação fácil em ambientes húmidos e

quentes. Na Figura A.1 é apresentado um exemplo de uma célula de telureto de cádmio [14].

104

Figura A.1 – Célula solar flexível [55].

Até 2011 a tecnologia solar com melhor eficiência era a junção em camadas de várias

placas com diferentes estruturas cristalinas em que cada uma tem gamas de absorção espectral

diferentes. Isto permite ganhos de eficiência na ordem dos 39% em células de arsenieto de

gálio/fosfato de gálio-índio. Na Figura A.2 é mostrado um exemplo das várias camadas de uma

destas células e a sua gama espectral [14].

Figura A.2 – Célula solar de múltipla junção e gama espectral [15].

Esta família de células é usada nos painéis solares de satélites, de modo a reduzir a

dimensão e o peso do material a ser levado para o espaço e a maximizar a captura de energia

com uma área limitada. A grande desvantagem desta tecnologia reside no seu custo elevado

[14].

105

Anexo B. Formas de onda dos reguladores de tensão comutados

Neste anexo estão agregados os gráficos dos reguladores buck, boost, buck-boost e Cûk.

Figura B.1 – Ondas caraterísticas da topologia buck [26].

Figura B.2 – Ondas caraterísticas da topologia boost [26].

106

Figura B.3 – Ondas caraterísticas da topologia Buck-Boost [26].

Figura B.4- Formas de onda caraterísticas do regulador Cûk [26].

107

Anexo C. Fluxograma do conta rotações simples com ecrã




Main loop

Início

Interrupção timer 1 de 2 em 2 segundos

Interrupção na timer 1

Envia dados por porta serie

Envia dados para o ecra

RetornaGuarda o tempo

anterior



anterior e a atual




Retorna

Desligou? Fim

S

N

Figura C.1 – Fluxograma do código do conta rotações simples com ecrã.

108

Anexo D. Código Arduíno do conta rotações simples com ecrã

#include <LiquidCrystal.h>

#include "TimerOne.h"

LiquidCrystal lcd(12, 11, 7, 6, 5, 4);

unsigned long time=0;

unsigned long timeold=0;

unsigned long periodo=0;

float rps=0;

int rotacoes = 0;

//int rodou=0;

int contarodou=0;

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(13, OUTPUT);

lcd.begin(16, 2);

attachInterrupt(0, rodou, FALLING);

Timer1.initialize(200000);

Timer1.attachInterrupt(Envia);

}

void loop() {

}

void rodou() {

noInterrupts();

//contarodou=0;

timeold=time;

time=micros();

periodo=time-timeold;

rps=1000000.00/periodo;

digitalWrite(13, !digitalRead(13));

Serial.println(rps);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print((rps));

interrupts();

}

void Envia() {

noInterrupts();

Serial.print("RPS ");

Serial.println(rps);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print((rps));

interrupts();

}

109

Anexo E. Fluxograma da interface de medição de potência mecânica

Criação da interface

Criação do agente

Início

Inicio do agente

Inicio da interface

Porta serie ligada?

Capturando?

S

Captura dados em bruto da porta serie

Calcula os valores reais

Envia para a interface

Guarda em memória

Espera 0,05 segundos

Botão pressionado?

S

Envia comando para agente

NMensagem recebida do

agente?

S

Apresenta os dados na interface

N

Recebeu comando?

S Efetua comando

N

N

N

SEnvia pedido de

dados como comando

Desligou? Mata filhos

S

N

Já morreram? S Morre

Fim

N

Figura E.1 – Fluxograma da interface do medidor de potência mecânica.

110

Anexo F. Código python da interface de medição de potência mecânica

import serial import xlsxwriter import time import wx from wx.lib.pubsub import pub import wx.lib.plot as plot import numpy as np from scipy.signal import butter, lfilter, freqz from operator import itemgetter import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.backends.backend_wxagg import FigureCanvasWxAgg as FigureCanvas from matplotlib.backends.backend_wxagg import NavigationToolbar2WxAgg as NavigationToolbar import random from threading import Thread isalive=True isstreaming=False RPMconnected=False DYNAconnected=False diametro=0.01 ganho1=0.00459770114943 ganho2=0.0048309178744 offset1=139 offset2=105 medidasrps=[ ] medidasforca1=[ ] medidasforca2=[ ] medidascompostas=[ ] class plots(wx.Frame): def __init__(self, parent): wx.Frame.__init__(self, None, title='graficos', size=(800,600)) self.parent = parent # background = wx.StaticBitmap(self, -1, (wx.Image('coordenador.png', wx.BITMAP_TYPE_ANY).ConvertToBitmap()), (0, 0)) painel = wx.Panel(self) self.figure=plt.figure() self.canvas = FigureCanvas(self,-1, self.figure) self.toolbar = NavigationToolbar(self.canvas) self.toolbar.Hide() self.Bind(wx.EVT_CLOSE, self.OnCloseWindow) self.SetSize((1200,600)) self.canvas.SetSize((1200,600)) self.Show()

111

def plot(self,data,data2,axis,onde): ax = self.figure.add_subplot(onde) ax.hold(False) ax.plot(axis, data , axis, data2 ) plt.grid(True) self.canvas.draw() def OnCloseWindow(self,event): self.Show(False) class directoria: def __init__(self): self.dir='tese' def setadress(self,adress): self.dir=adress print adress def getadress(self): return self.dir direc=directoria() #34,2419 class WorkerThread(Thread): ####################### def __init__(self): Thread.__init__(self) pub.subscribe(self.threadlistener, "listenthread") self.start() def butter_lowpass_filter(self, data, order, fs ,cutoff): # order = 3 # fs = 20 # sample rate, Hz # cutoff = 2 # desired cutoff frequency of the filter, Hz nyq = 0.5 * fs normal_cutoff = cutoff / nyq b, a = butter(order, normal_cutoff, btype='low', analog=False) y = lfilter(b, a, data) return y ########################### def run(self): global ganho1 global ganho2 global offset1 global offset2

112

while isalive: if RPMconnected: self.serrps.write("F") RPS=self.serrps.readline() mensagemrps=RPS.split(' ') try: if 'Medidas' in mensagemrps[0]: periodo=long(mensagemrps[1]) forca1int=int(mensagemrps[2]) forca2int=int(mensagemrps[3]) if periodo==0: rotacoesporsegundo=0.00; else: rotacoesporsegundo=round(1000000.00/periodo,4) forca1=round((forca1int-offset1)*ganho1,4) forca2=round((forca2int-offset2)*ganho2,4) if forca1<0: forca1=0 if forca2<0: forca2=0 diferencial=forca1-forca2 potencia=round((2*3.1415*rotacoesporsegundo*(diferencial*(diametro/2))),4) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValRPM",mensagemgui=str(rotacoesporsegundo)) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValDyna",mensagemgui=str(forca1)+" "+str(forca2)+" "+str(diferencial)) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValPOT",mensagemgui=str(potencia)) else: pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="dado velho") #print "dado velho" except: pass while isstreaming and RPMconnected: f = open(direc.dir+'.txt', 'w') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.write('\n') medidasrps=[ ] medidasforca1=[ ] medidasforca2=[ ] medidascompostas=[ ]

113

while isstreaming and RPMconnected: time.sleep(0.05) try: self.serrps.write("E") RPS=self.serrps.readline() mensagemrps=RPS.split(' ') if 'Medidas' in mensagemrps[0]: periodo=long(mensagemrps[1]) forca1int=int(mensagemrps[2]) forca2int=int(mensagemrps[3]) if periodo==0: rotacoesporsegundo=0.00; else: rotacoesporsegundo=round(1000000.00/periodo,4) forca1=round((forca1int-offset1)*ganho1,4) forca2=round((forca2int-offset2)*ganho2,4) if forca1<0: forca1=0 if forca2<0: forca2=0 diferencial=forca1-forca2 if diferencial<0: diferencial=0 potencia=round((2*3.1415*rotacoesporsegundo*(diferencial*(diametro/2))),4) f.seek(f.tell()) f.write(str(rotacoesporsegundo)) f.write(' ') f.write(str(forca1)) f.write(' ') f.write(str(forca2)) f.write('\n') medidasrps.append(rotacoesporsegundo) medidasforca1.append(forca1) medidasforca2.append(forca2) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValRPM",mensagemgui=str(rotacoesporsegundo)) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValDyna",mensagemgui=str(forca1)+" "+str(forca2)+" "+str(diferencial)) pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValPOT",mensagemgui=str(potencia)) pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="capturando") else:

114

pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="dado velho") print "dado velho" except: print "falhou" f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.close() ################################################## workbook = xlsxwriter.Workbook('dados.xlsx') worksheet = workbook.add_worksheet() worksheet.write(3, 0,"medidas cruas") for i in range(0, len(medidasforca1)):###direitoexcel worksheet.write_row(i+5,0,[medidasrps[i],medidasforca1[i],medidasforca2[i]]) #######################ordenado######################## for i in range(0, len(medidasforca1)): medidascompostas.append([medidasrps[i],medidasforca1[i],medidasforca2[i]]) medidascompostasorganizadas=sorted(medidascompostas, key=itemgetter(0)) f = open(direc.dir+"-ordenado.txt", 'w') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) for i in range(0, len(medidasforca1)): f.seek(f.tell()) f.write(str(round(medidascompostasorganizadas[i][0],4))) f.write(' ') f.write(str(round(medidascompostasorganizadas[i][1],4))) f.write(' ') f.write(str(round(medidascompostasorganizadas[i][2],4))) f.write('\n') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.close() worksheet.write(3, 10,"medidas organizadas") for i in range(0, len(medidasforca1)):###organizadoexcel worksheet.write_row(i+5,10,medidascompostasorganizadas[i]) ############################ordenado filtrado########################### medidasrpsordenado=[ ] medidasforca1odenado=[ ] medidasforca2odenado=[ ] for i in range(0, len(medidasforca1)):

115

medidasrpsordenado.append(medidascompostasorganizadas[i][0]) medidasforca1odenado.append(medidascompostasorganizadas[i][1]) medidasforca2odenado.append(medidascompostasorganizadas[i][2]) frame.graficos.plot(np.subtract(medidasforca1odenado,medidasforca2odenado), np.multiply(np.subtract(medidasforca1odenado,medidasforca2odenado),medidasrps) ,medidasrps,223) dadosfiltrados1 = self.butter_lowpass_filter(medidasforca1odenado, 6, 20, 1) dadosfiltrados2 = self.butter_lowpass_filter(medidasforca2odenado, 6, 20, 1) frame.graficos.plot(np.subtract(dadosfiltrados1,dadosfiltrados2), np.multiply(np.subtract(dadosfiltrados1,dadosfiltrados2),medidasrps) ,medidasrps,224) f = open(direc.dir+"-ordenado- filtrado.txt", 'w') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.write('\n') for i in range(0, len(dadosfiltrados1)): f.seek(f.tell()) f.write(str(round(medidasrpsordenado[i],4))) f.write(' ') f.write(str(round(dadosfiltrados1[i],4))) f.write(' ') f.write(str(round(dadosfiltrados2[i],4))) f.write('\n') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.close() worksheet.write(3, 15,"medidas organizadas filtradas") for i in range(0, len(medidasforca1)):###ordenado filtrado worksheet.write_row(i+5,15,[medidasrpsordenado[i],dadosfiltrados1[i],dadosfiltrados2[i]]) ##############################filtrado######################### dadosfiltrados1 = self.butter_lowpass_filter(medidasforca1, 6, 20, 1) dadosfiltrados2 = self.butter_lowpass_filter(medidasforca2, 6, 20, 1) frame.graficos.plot(np.subtract(dadosfiltrados1,dadosfiltrados2), np.multiply(np.subtract(dadosfiltrados1,dadosfiltrados2),medidasrps) ,medidasrps,222) f = open(direc.dir+"-filtrado.txt", 'w') f.seek(f.tell())

116

f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.write('\n') for i in range(0, len(dadosfiltrados1)): f.seek(f.tell()) f.write(str(round(medidasrps[i],4))) f.write(' ') f.write(str(round(dadosfiltrados1[i],4))) f.write(' ') f.write(str(round(dadosfiltrados2[i],4))) f.write('\n') f.seek(f.tell()) f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y")) f.close() worksheet.write(3, 5,"medidas filtradas") for i in range(0, len(medidasforca1)):### filtrado worksheet.write_row(i+5,5,[medidasrps[i],dadosfiltrados1[i],dadosfiltrados2[i]]) ##################################################### workbook.close() frame.graficos.plot(np.subtract(medidasforca1,medidasforca2), np.multiply(np.subtract(medidasforca1,medidasforca2),medidasrps) ,medidasrps,221) pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="idle") time.sleep(0.1) #print "stayin alive" #print "mataram-me" def threadlistener(self,comandothread="0",mensagemthread="0"): global connected global dir global diametro global isstreaming global RPMconnected global DYNAconnected global ganho1 global ganho2 global offset1 global offset2 if comandothread == "connectRPM": try: self.serrps = serial.Serial(port='COM47',baudrate=9600, timeout=2) RPMconnected=True pub.sendMessage("listengui",comandogui="EstadoRPM",mensagemgui="Ligado") except: print "falhou"

117

if comandothread == "UPDATEDIAM": diametro=float(mensagemthread) print "actualizado" if comandothread == "Zero": try: if RPMconnected: self.serrps.write("F") RPS=self.serrps.readline() mensagemrps=RPS.split(' ') if 'Medidas' in mensagemrps[0]: offset1=int(mensagemrps[2]) offset2=int(mensagemrps[3]) print offset1 print offset2 print "Zerado" except: pass if comandothread == "Afina1": if RPMconnected: self.serrps.write("F") RPS=self.serrps.readline() mensagemrps=RPS.split(' ') if 'Medidas' in mensagemrps[0]: ganho1=2.0/(int(mensagemrps[2])-offset1) print ganho1 print "afinado" if comandothread == "Afina2": if RPMconnected: self.serrps.write("F") RPS=self.serrps.readline() mensagemrps=RPS.split(' ') if 'Medidas' in mensagemrps[0]: ganho2=2.0/(int(mensagemrps[3])-offset2) print ganho2 print "afinado" if comandothread == "Stop": isstreaming=False if comandothread == "Start": if RPMconnected: isstreaming = True if comandothread == "dir": 19+1

118

class interface(wx.Frame): global dir def __init__(self,parent,id): wx.Frame.__init__(self,parent,id,'Micro Pico-Hydro Parser', size=(800,600)) self.painel=wx.Panel(self) self.Bind(wx.EVT_CLOSE, self.OnCloseWindow) pub.subscribe(self.GuiListener, "listengui") ######################### #############barra de estados status=self.CreateStatusBar(3) self.SetStatusWidths([-1,-4,-1]) self.SetStatusText('Texto',1) ############################# # ##############################caixas############################### CaixabarraCabecalho=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Status')), wx.HORIZONTAL) InteriorCaixabarraCabecalho = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL) CaixabarraCabecalho.Add(InteriorCaixabarraCabecalho, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixabarraTopo=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'valores')), wx.HORIZONTAL) InteriorCaixabarraTopo = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL) CaixabarraTopo.Add(InteriorCaixabarraTopo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixabarraMeio=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'comandos')), wx.HORIZONTAL) InteriorCaixabarraMeio = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL) CaixabarraMeio.Add(InteriorCaixabarraMeio, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixabarraFundo=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'captura')), wx.HORIZONTAL) InteriorCaixabarraFundo = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL) CaixabarraFundo.Add(InteriorCaixabarraFundo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER)

119

CaixaPrincipal=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'DYNA')), wx.VERTICAL) ############### barra cabecalho########################## CaixaconectRPM=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'RPM-DYNA')), wx.VERTICAL) CaixaDiamrotor=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'diametrorotor')), wx.VERTICAL) CaixaMensagens=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Mensagens')), wx.VERTICAL) BotaoLigaRPM=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Connect') BotaoLigaRPM.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onConnectRPM) self.RPMstatus=wx.StaticText(self.painel,-1,"Desligado:",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) self.DiametroRotor=wx.TextCtrl(self.painel, size=(100,-1),value=str(diametro)) BotaoUpdateDiam=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Update') BotaoUpdateDiam.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onUpdateDiam) self.mensagens=wx.StaticText(self.painel,-1,"Mensagem:",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_LEFT) CaixaconectRPM.Add(BotaoLigaRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaconectRPM.Add(self.RPMstatus, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaDiamrotor.Add(self.DiametroRotor, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaDiamrotor.Add(BotaoUpdateDiam, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaMensagens.Add(self.mensagens, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_LEFT, 5) CaixabarraCabecalho.Add(CaixaconectRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraCabecalho.Add(CaixaDiamrotor, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraCabecalho.Add(CaixaMensagens, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) ####################barra topo######################### Caixadyna1=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'dyna1 (N)')), wx.VERTICAL) Caixadyna2=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'dyna2 (N)')), wx.VERTICAL) Caixadynadif=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'dynadif (N)')), wx.VERTICAL) CaixaRPS=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'RPS (Hz)')), wx.VERTICAL) CaixaRPM=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'RPM (rpm)')), wx.VERTICAL)

120

CaixaRad=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'w (rad/s)')), wx.VERTICAL) Caixadpotencia=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'potencia (W)')), wx.VERTICAL) Caixapotenciamw=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'potencia (mW)')), wx.VERTICAL) self.dyna1=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) Caixadyna1.Add(self.dyna1, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.dyna2=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) Caixadyna2.Add(self.dyna2, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.dynadif=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) Caixadynadif.Add(self.dynadif, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.RPS=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) CaixaRPS.Add(self.RPS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.RPM=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) CaixaRPM.Add(self.RPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.RADS=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) CaixaRad.Add(self.RADS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.potencia=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) Caixadpotencia.Add(self.potencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.potenciamw=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER) Caixapotenciamw.Add(self.potenciamw, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(Caixadyna1, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(Caixadyna2, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(Caixadynadif, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(CaixaRPS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(CaixaRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(CaixaRad, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(Caixadpotencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraTopo.Add(Caixapotenciamw, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) ####################barra meio#########################

121

CaixaZera=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Zerar')), wx.VERTICAL) CaixaAfina1=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Afina 1 para 2N')), wx.VERTICAL) CaixaAfina2=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Afina 2 para 2N')), wx.VERTICAL) CaixaGraficos=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Grafico')), wx.VERTICAL) BotaoZera=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Zera') BotaoAfina1=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Afina1') BotaoAfina2=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Afina2') BotaoGraficos=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Graficos') BotaoZera.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onZero) BotaoAfina1.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onAfina1) BotaoAfina2.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onAfina2) BotaoGraficos.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onGraficos) CaixaZera.Add(BotaoZera, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaAfina1.Add(BotaoAfina1, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaAfina2.Add(BotaoAfina2, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixaGraficos.Add(BotaoGraficos, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraMeio.Add(CaixaZera, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraMeio.Add(CaixaAfina1, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraMeio.Add(CaixaAfina2, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraMeio.Add(CaixaGraficos, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) ####################barra fim######################### CaixaDirectoria=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Dir')), wx.VERTICAL) CaixaCaptura=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Captura')), wx.HORIZONTAL) self.Directoria=wx.TextCtrl(self.painel,value=direc.getadress(), size=(300,-1),style=wx.TE_PROCESS_ENTER) CaixaDirectoria.Add(self.Directoria, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) self.Directoria.Bind(wx.EVT_TEXT_ENTER, self.onDir) BotaoStop=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Para') BotaoStart=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Inicia') BotaoStop.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onSTOP) BotaoStart.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onSTART) CaixaCaptura.Add(BotaoStop, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

122

CaixaCaptura.Add(BotaoStart, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraFundo.Add(CaixaDirectoria, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) CaixabarraFundo.Add(CaixaCaptura, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5) ########## ############################################# ##############caixa principal################# CaixaPrincipal.Add(CaixabarraCabecalho, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixaPrincipal.Add(CaixabarraTopo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixaPrincipal.Add(CaixabarraMeio, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) CaixaPrincipal.Add(CaixabarraFundo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER) self.painel.SetSizer(CaixaPrincipal) CaixaPrincipal.Fit(self) ############################## self.SetSizeHints(400,400,1800,1800) self.trabalhador=WorkerThread() self.graficos = plots(self) ##################################### def GuiListener(self,comandogui="-1",mensagemgui="-1"): if comandogui=="EstadoRPM": self.RPMstatus.SetLabel(mensagemgui) if comandogui=="EstadoDYNA": self.DYNAstatus.SetLabel(mensagemgui) if comandogui=="ValDyna": Mensagem=mensagemgui.split(' ') self.dyna1.SetLabel(Mensagem[0]) self.dyna2.SetLabel(Mensagem[1]) self.dynadif.SetLabel(Mensagem[2]) if comandogui=="ValRPM": try: #Mensagem=mensagemgui.split(' ') self.RPS.SetLabel(mensagemgui) self.RPM.SetLabel(str(60*float(mensagemgui))) self.RADS.SetLabel(str(2*3.1415*float(mensagemgui))) except: print "erro2"

123

if comandogui=="ValPOT": self.potencia.SetLabel(mensagemgui) self.potenciamw.SetLabel(str(float(mensagemgui)*1000)) if comandogui=="Mensagem": self.mensagens.SetLabel(mensagemgui) ##################################### def onConnectRPM(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="connectRPM") def onUpdateDiam(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UPDATEDIAM",mensagemthread=self.DiametroRotor.GetLineText(1)) def onZero(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Zero") def onAfina1(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Afina1") def onAfina2(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Afina2") def onGraficos(self,event): self.graficos.Show() def onSTOP(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Stop") def onSTART(self,event): pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Start") def onDir(self,event): direc.setadress(self.Directoria.GetLineText(1)) pub.sendMessage("listenthread",comandothread="dir") self.mensagens.SetLabel("ficheiro mudado") def OnCloseWindow(self,event): global isalive isalive=False while self.trabalhador.is_alive(): print "ainda nao morreu" pass try: self.graficos.Destroy() self.listaTramas.Destroy() self.Destroy() except: self.Destroy()

124

if __name__=='__main__': app=wx.App() frame=interface(parent=None,id=-1) frame.Show() app.MainLoop()

125

Anexo G. Fluxograma do medidor de potência mecânica



Configuração das portas ADC





anterior e a atual

Interrupção da porta serie

Envia os dados de ADC e período de

rotação

Loop()Captura os dados das portas ADC




Pedido válido?

S

N Ignora o pedido

Início

Retorna

Retorna

Figura G.1 – Fluxograma do medidor de potência mecânica.

126

Anexo H. Código Arduíno do medidor de potência mecânica

#include <LiquidCrystal.h>

//#include "TimerOne.h"

//LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

const int analogInPin = A0;

const int analogInPin2 = A1;

int sensorValue = 0;

int sensorValue2 = 0;

String comando = "";

String Envia = "E";

String Enviaforcado = "F";

int passou=0;

int capturado=0;

int fezoverflow=0;

////



unsigned long periodo=0;;

void setup() {

Serial.begin(9600);


}

void loop() {

}

void rodou() {

noInterrupts();

timeold=time;

time=micros();



sensorValue=analogRead(analogInPin);

sensorValue2=analogRead(analogInPin2);

//capturado=1;

//Timer1.restart();

interrupts();

}

127

void enviadados(){

Serial.print("Medidas ");

Serial.print(periodo);

Serial.print(" ");

Serial.print(sensorValue);

Serial.print(" ");

Serial.println(sensorValue2);

}

void enviadadosforcado(){

sensorValue=analogRead(analogInPin);

sensorValue2=analogRead(analogInPin2);

capturado=0;

Serial.print("Medidas ");

Serial.print(periodo);

Serial.print(" ");

Serial.print(sensorValue);

Serial.print(" ");

Serial.println(sensorValue2);

}

void serialEvent() {

while (Serial.available()) {

comando += (char)Serial.read();

}

if (comando == Envia) {

enviadados();

}

if (comando == Enviaforcado) {

enviadadosforcado();

}

comando = "";

}

128

Anexo I. Fluxograma da interface da carga variável

Criação da interface

Criação do agente

Início

Inicio do agente

Inicio da interface

Capturando?

Botão pressionado?

S

Envia comando para agente

NMensagem recebida do

agente?

S

Apresenta os dados na interface

N

Recebeu comando?

S Efetua comando

N

Porta serie RPM ligada?

Porta serie carga ligada?

N

N

N

S

S

Calcula os valores reais

Envia para a interface

Guarda em memória

Espera 0,05 segundos

SCaptura dados em

bruto da porta serie

Envia pedido de dados como

comando

Desligou? Mata filhos

S

N

Já morreram? S Morre

Fim

N

Figura I.1 – Interface do medidor de potência elétrica.

129

Anexo J. Código python da interface da carga variável

import serial

import xlsxwriter

import time

import wx

from wx.lib.pubsub import pub

import wx.lib.plot as plot

import numpy as np

from scipy.signal import butter, lfilter, freqz

from operator import itemgetter

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib.backends.backend_wxagg import FigureCanvasWxAgg as

FigureCanvas

from matplotlib.backends.backend_wxagg import NavigationToolbar2WxAgg as

NavigationToolbar

import random

from pygame import mixer

from threading import Thread

isalive=True

isstreaming=False

RPMconnected=False

LOADconnected=False

numeroDecapturas=1

Incremento=1

medidasrps=[ ]

medidascorrente=[ ]

medidastensao=[ ]

medidascompostas=[ ]

currentGain=1

voltageGain=0.01756058158

capturas=1

medidas=20

updown=0

class link:

def __init__(self):

self.port=-1

self.adress=[]

self.serialconnection=0

def createconnection(self):

self.port=self.findcoodinatorPort(self.avalablePorts())

if self.port!=-1:

self.serialconnection=serial.Serial(self.port,baudrate=19200,

timeout=6)

130

self.adress=self.findrouter(self.serialconnection)

if self.adress!=-1:

return True

else:

print "nao encontrou router"

return False

else:

print "nao encontrou porta"

return False

def decodeCommandResponse(self,trama):

receivedData = trama[7:len(trama)-1]

##aproveita o payload

return receivedData;

##retorna o payload

####################

def getAmpVolt(self,ser):

data = self.recebeDados(ser)

if data == -1:

return -1

else:

comprimento=len(data)

if comprimento % 8 !=0:

return -1

else:

corrente=[]

tensao=[]

for x in range (0,(comprimento/8)-1):

dado=""

dado+=data[x*8]

dado+=data[x*8+1]

dado+=data[x*8+2]

dado+=data[x*8+3]

corrente.append(int(dado))

dado=""

dado+=data[x*8+4]

dado+=data[x*8+5]

dado+=data[x*8+6]

dado+=data[x*8+7]

tensao.append(int(dado))

corrente2=[x*currentGain for x in corrente]

tensao2=[x*voltageGain for x in tensao]

mediacorrente = np.percentile(corrente2,50)

mediatensao = np.percentile(tensao2,50)

return (mediacorrente,mediatensao)

#batata

131

##################receptor de dados da trama####################

def recebeDados(self,ser):

try:

##tenta receber dados

out=ser.readline(1)

##verifica se tem o iniciador certo

if out=='\x7E':

Lenght=int((bin(ord(ser.read()))),2)

##obtem o comprimento

Lenght=Lenght<<8|int((bin(ord(ser.read()))),2)

##obtem o comprimento parte 2

dadoscrus=list(ser.readline(Lenght+1))

##captura o payload

return dadoscrus[12:-1];

##junta os pedacos do pacote e retorna

except: ##

qualquer erro retorna -1

return -1;

###############################################################

##################receptor de tramas gerais####################

def recebeTrama(self,ser):

try:

##tenta receber dados

out=ser.readline(1)

##verifica se tem o iniciador certo

if out=='\x7E':

Lenght=int((bin(ord(ser.read()))),2)

##obtem o comprimento

Lenght=Lenght<<8|int((bin(ord(ser.read()))),2)

##obtem o comprimento parte 2

dadoscrus=list(ser.readline(Lenght+1))

##captura o payload

return [out]+ [Lenght&0xFF00]+ [Lenght&0xFF]+ dadoscrus;

##junta os pedacos do pacote e retorna

except: ##

qualquer erro retorna -1

return -1;

###############################################################

#################enviador de pacotes de comandos AT

locais##################

def enviaComandoAT(self,comando,ser):

##esqueleto do pacote##

inicio=[0x7E]

comprimento=[0x00,0x00]

tipo=[0x08]

132

FrameID=[0x01]

ATCommand=map(ord,comando)

checksum=[0x00]

###################

trama=tipo+FrameID+ATCommand ##junta

os pedacos do pacote

checksum[0]=0xFF-((sum(trama))&0xFF)

##calcula o checksum

comprimento[0]=len(trama)&0xFF00

##adiciona o comprimento

comprimento[1]=len(trama)&0xFF


trama=inicio+comprimento+trama+checksum

##finaliza a trama

try:

ser.write(trama)

##enviar trama por porta serie

except:

pass

return;

#########################################################

#################enviador de pacotes de comandos AT

remoto##################

def enviaComandoATremoto(self,comando,

ser,destino=[0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00]):


inicio=[0x7E]


tipo=[0x17]

FrameID=[0x01]

A64BitAddress=destino

A16BitAddress=[0xFF,0xFE]

RemoteCMDoptions=[0x02]

ATCommand=map(ord,comando)

checksum=[0x00]

###################

trama=tipo+FrameID+A64BitAddress+A16BitAddress+RemoteCMDoptions+ATCommand

##junta os pedacos do pacote


##calcula o checksum






##finaliza a trama

try:

ser.write(trama)

##enviar trama por porta serie

except:

133

pass

return;

#########################################################

################# enviador de tramas gerais################

def enviaTrama(self,dados,endereco,ser):


inicio=[0x7E]


tipo=[0x10]

FrameID=[0x00]

A64BitAddress=[0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00]

A16BitAddress=[0xFF,0xFE]

broadcastradius=[0x00]

options=[0x00]

data=[]

checksum=[0x00]

#########################

for x in range(0,len(dados)):

data.append(ord(dados[x]))

for x in range(0,8):

A64BitAddress[x]=ord(endereco[x])

trama=tipo+FrameID+A64BitAddress+A16BitAddress+broadcastradius+options+data

##composicao da trama


##calcular checksum


##adicionar o comprimento



##finalizar a trama

ser.write(trama) ##envia

a trama pela porta serie

return;

#################################################################

def avalablePorts(self):

ports = ['COM' + str(i + 1) for i in range(256)]

##cria a lista de portas

result = []

for port in ports:

##verifica quais estao disponiveis

try:

ser = serial.Serial(port)

ser.close()

134

result.append(port)

except (OSError, serial.SerialException):

pass

return result;

def findcoodinatorPort(self,result):

portacoordenador=-1

for testlink in result:

ser = serial.Serial(testlink,baudrate=19200, timeout=0.1) ##

cria uma ligacao com timeout curto

self.enviaComandoAT('VR',ser);

## envio do comando AT para enviar o nome do componente

out=ser.readline(80) ##

le o conteudo da porta serie

if out[8]=='!': ##

se for do tipo coordenador

portacoordenador=testlink ##

guarda a porta do coordenador

ser.close() ##

fecha a porta com

break ##

quebra o for

ser.close() ##

fecha a porta com

return portacoordenador;

def findrouter(self,ser):

Router64BitAddress=-1

self.enviaComandoAT('NT',ser);

## envia o comando AT Node Discovery Timeout para avisar todos os nos

## da rede relativamente ao timout do Network Discovery

dadosRouter=self.recebeTrama(ser);

## recupera a trama

self.enviaComandoATremoto('DNH2OPowerRouter',ser);

## envia o mando AT Node Discover

dadosRouter=self.recebeTrama(ser);

## recebe e guarda a resposta

if dadosRouter!=-1:

payload = self.decodeCommandResponse(dadosRouter); ##

manda obter os dados de interesse

#if ((''.join(payload)).find("H2OPowerRouter"))!=-1:

## verifica se o no e o router

if payload[0]=='\x00': ## verifica se o no e o

router

Router64BitAddress = payload[3:11]

return Router64BitAddress

class plots(wx.Frame):

def __init__(self, parent):

wx.Frame.__init__(self, None, title='graficos', size=(800,600))

135

self.parent = parent

# background = wx.StaticBitmap(self, -1,

(wx.Image('coordenador.png', wx.BITMAP_TYPE_ANY).ConvertToBitmap()), (0,

0))

painel = wx.Panel(self)

self.figure=plt.figure()

self.canvas = FigureCanvas(self,-1, self.figure)

self.toolbar = NavigationToolbar(self.canvas)

self.toolbar.Hide()

self.Bind(wx.EVT_CLOSE, self.OnCloseWindow)

self.SetSize((1200,600))

self.canvas.SetSize((1200,600))

self.Show()

def plot(self,data,axis,onde):

ax = self.figure.add_subplot(onde)

ax.hold(False)

ax.plot(axis, data )

plt.grid(True)

self.canvas.draw()

def OnCloseWindow(self,event):

self.Show(False)

class directoria:

def __init__(self):

self.dir='tese'

def setadress(self,adress):

self.dir=adress

print adress

def getadress(self):

return self.dir

direc=directoria()

#34,2419

class WorkerThread(Thread):

#######################

def __init__(self):

Thread.__init__(self)

pub.subscribe(self.threadlistener, "listenthread")

self.ligacao=link()

self.start()

def butter_lowpass_filter(self, data, order, fs ,cutoff):

# order = 3

# fs = 20 # sample rate, Hz

# cutoff = 2 # desired cutoff frequency of the filter, Hz

136

nyq = 0.5 * fs

normal_cutoff = cutoff / nyq

b, a = butter(order, normal_cutoff, btype='low', analog=False)

y = lfilter(b, a, data)

return y

###########################

def run(self):

global isstreaming

mixer.init()

mixer.music.load('D:/microwave-oven-bell-1.wav')

while isalive:

if RPMconnected:

try:

dadosRPS=[]

for x in range(0, 4):

self.serrps.write("e")

RPS=self.serrps.readline()

mensagemrps=RPS.split(' ')

if 'Periodo' in mensagemrps[0]:

periodo=long(mensagemrps[1])

if periodo==0:

rotacoesporsegundo=0.00;

else:

rotacoesporsegundo=round(250000.00/periodo,4)

dadosRPS.append(rotacoesporsegundo)

rotacoesporsegundo = np.percentile(dadosRPS,50)

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValRPM",mensagemgui=str(rotacoespor

segundo))

except:

pass

if LOADconnected:

try:

self.ligacao.enviaTrama("e", self.ligacao.adress,

self.ligacao.serialconnection)

data =

self.ligacao.getAmpVolt(self.ligacao.serialconnection)

if data !=-1:

corrente=data[0]

tensao=data[1]

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValPOT",mensagemgui=str((corrente*t

ensao)/1000))

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValLOAD",mensagemgui=str(corrente)+

" "+str(tensao))

137

except:

pass

if LOADconnected and RPMconnected:

try:

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValTorque",mensagemgui=str(((corren

te*tensao)/1000)/(rotacoesporsegundo/6.2831853)))

except:

pass

while isstreaming and RPMconnected and LOADconnected:

f = open(direc.dir+'.txt', 'w')

f.seek(f.tell())

f.write(time.strftime("%H:%M:%S-%d/%m/%Y"))

f.write('\n')

medidasrps=[ ]

medidascorrente=[ ]

medidastensao=[ ]

medidascompostas=[ ]

targetcurrent=0

capturasfeitas=0

medidasfeitas=0

direccao=Incremento

while isstreaming and RPMconnected and LOADconnected:

try:

pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="capturando:

Corrente alvo = " + str(targetcurrent)+ " mA" )

self.ligacao.enviaTrama("s"+str(targetcurrent),

self.ligacao.adress, self.ligacao.serialconnection)

#self.serLOAD.write("s"+str(targetcurrent))

time.sleep(0.2)

###########################################################################

##

mediarps=[]

self.ligacao.enviaTrama("e", self.ligacao.adress,


for x in range(0, 4):

self.serrps.write("e")

RPS=self.serrps.readline()

mensagemrps=RPS.split(' ')

if 'Periodo' in mensagemrps[0]:

periodo=long(mensagemrps[1])

138

if periodo==0:

rotacoesporsegundo=0.00;

else:

rotacoesporsegundo=round(250000.00/periodo,4)

mediarps.append(rotacoesporsegundo)

rotacoesporsegundo= np.percentile(mediarps,50)

###################################################################

corrente=0

tensao=0

#self.ligacao.enviaTrama("e", self.ligacao.adress,


#self.serLOAD.write("e")

data =

self.ligacao.getAmpVolt(self.ligacao.serialconnection)

##batata

if data !=-1:

corrente=data[0]

tensao=data[1]

#########################################################################

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValRPM",mensagemgui=str(rotacoespor

segundo))

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValLOAD",mensagemgui=str(corrente)+

" "+str(tensao))

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValPOT",mensagemgui=str((corrente*t

ensao)/1000))

pub.sendMessage("listengui",comandogui="ValTorque",mensagemgui=str(((corren

te*tensao)/1000)/(rotacoesporsegundo/6.2831853)))

f.seek(f.tell())

f.write(str(rotacoesporsegundo))

f.write(' ')

f.write(str(corrente))

f.write(' ')

f.write(str(tensao))

f.write('\n')

medidasrps.append(rotacoesporsegundo)

medidascorrente.append(corrente)

139

medidastensao.append(tensao)

targetcurrent+=direccao

if (targetcurrent>corrente+(abs(direccao)*10) and

direccao>0 or targetcurrent>900 and direccao>0 or targetcurrent<=0 and

direccao<0) and updown==0:

#if (targetcurrent>180 and direccao>0 or

targetcurrent>900 and direccao>0 or targetcurrent<=0 and direccao<0) and

updown==0:

direccao=-direccao

capturasfeitas+=0.5

if (targetcurrent>corrente+(abs(direccao)*10) and

direccao>0 or targetcurrent>900 and direccao>0 or targetcurrent<=0 and

direccao<0) and updown==1:

#if (targetcurrent>180 and direccao>0 or

targetcurrent>900 and direccao>0 or targetcurrent<=0 and direccao<0) and

updown==1:

targetcurrent=0

self.ligacao.enviaTrama("s"+str(targetcurrent),


#self.serLOAD.write("s"+str(targetcurrent))

capturasfeitas+=1

time.sleep(3)

if capturasfeitas>=capturas:

isstreaming=False

mixer.music.play()

except:

#print "falhou"

pass

f.seek(f.tell())


f.close()

##################################################

workbook = xlsxwriter.Workbook(direc.dir+'dados.xlsx')

worksheet = workbook.add_worksheet()

worksheet.write(3, 0,"medidas cruas")

for i in range(0, len(medidasrps)):###direitoexcel

worksheet.write_row(i+5,0,[medidasrps[i],medidascorrente[i],medidastensao[i

]])

######################################################

frame.graficos.plot(np.multiply(medidascorrente,medidastensao)

,medidasrps,111)

140

##########################################################################

#######################ordenado########################

for i in range(0, len(medidascorrente)):

medidascompostas.append([medidasrps[i],medidascorrente[i],medidastensao[i]]

)

medidascompostasorganizadas=sorted(medidascompostas,

key=itemgetter(0))

f = open(direc.dir+"-ordenado.txt", 'w')

f.seek(f.tell())



f.seek(f.tell())

f.write(str(round(medidascompostasorganizadas[i][0],4)))

f.write(' ')


f.write(' ')


f.write('\n')

f.seek(f.tell())


f.close()

worksheet.write(3, 10,"medidas organizadas")

for i in range(0, len(medidascorrente)):###organizadoexcel

worksheet.write_row(i+5,10,medidascompostasorganizadas[i])

############################ordenado

filtrado###########################

medidasrpsordenado=[ ]

medidascorrenteodenado=[ ]

medidastensaoodenado=[ ]


medidasrpsordenado.append(medidascompostasorganizadas[i][0])

medidascorrenteodenado.append(medidascompostasorganizadas[i][1])

medidastensaoodenado.append(medidascompostasorganizadas[i][2])

141

dadosfiltrados1 =

self.butter_lowpass_filter(medidascorrenteodenado, 6, 20, 1)

dadosfiltrados2 =

self.butter_lowpass_filter(medidastensaoodenado, 6, 20, 1)

f = open(direc.dir+"-ordenado- filtrado.txt", 'w')

f.seek(f.tell())


f.write('\n')

for i in range(0, len(dadosfiltrados1)):

f.seek(f.tell())

f.write(str(round(medidasrpsordenado[i],4)))

f.write(' ')

f.write(str(round(dadosfiltrados1[i],4)))

f.write(' ')


f.write('\n')

f.seek(f.tell())


f.close()

worksheet.write(3, 15,"medidas organizadas filtradas")

for i in range(0, len(medidascorrente)):###ordenado

filtrado

worksheet.write_row(i+5,15,[medidasrpsordenado[i],dadosfiltrados1[i],dadosf

iltrados2[i]])

##############################filtrado#########################

dadosfiltrados1 =

self.butter_lowpass_filter(medidascorrente, 6, 20, 1)

dadosfiltrados2 = self.butter_lowpass_filter(medidastensao,

6, 20, 1)

f = open(direc.dir+"-filtrado.txt", 'w')

f.seek(f.tell())


f.write('\n')

for i in range(0, len(dadosfiltrados1)):

f.seek(f.tell())

f.write(str(round(medidasrps[i],4)))

f.write(' ')


f.write(' ')


f.write('\n')

f.seek(f.tell())


f.close()

worksheet.write(3, 5,"medidas filtradas")

142

for i in range(0, len(medidascorrente)):### filtrado

worksheet.write_row(i+5,5,[medidasrps[i],dadosfiltrados1[i],dadosfiltrados2

[i]])

#####################################################

workbook.close()

######################################################

self.ligacao.enviaTrama("s0", self.ligacao.adress,


#self.serLOAD.write("s"+str(0))

pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="idle")

time.sleep(0.2)

#print "stayin alive"

#print "mataram-me"

def threadlistener(self,comandothread="0",mensagemthread="0"):

global connected

global dir

global isstreaming

global RPMconnected

global LOADconnected

global capturas

global Incremento

global updown

global isalive

if comandothread == "connectRPM":

try:

self.serrps = serial.Serial(port='COM50',baudrate=9600,

timeout=2)

RPMconnected=True

pub.sendMessage("listengui",comandogui="EstadoRPM",mensagemgui="Ligado")

except:

print "falhou a conecter rpm"

if comandothread == "connectLOAD":

try:

if self.ligacao.createconnection():

pub.sendMessage("listengui",comandogui="EstadoLOAD",mensagemgui="Ligado")

LOADconnected=True

143

# self.serLOAD = serial.Serial(port='COM6',baudrate=9600,

timeout=2)

# LOADconnected=True

#

pub.sendMessage("listengui",comandogui="EstadoLOAD",mensagemgui="Ligado")

except:

print "falhou a conectar carga"

if comandothread == "UpdateCurrent":

corrente=int(mensagemthread)

if LOADconnected:

self.ligacao.enviaTrama("s"+str(corrente),


#self.serLOAD.write("s"+str(corrente))

if comandothread == "UpdateCapturas":

capturas=int(mensagemthread)

pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="Numero de

capturas: " + str(capturas) )

if comandothread == "UpdateSequencia":

updown=int(mensagemthread)

if comandothread == "UpdateIncremento":

Incremento=int(mensagemthread)

pub.sendMessage("listengui",comandogui="Mensagem",mensagemgui="Incremento

de: " + str(Incremento) )

if comandothread == "morre":

isalive=False

if comandothread == "Stop":

isstreaming=False

if comandothread == "Start":

if RPMconnected and LOADconnected:

isstreaming = True

# if comandothread == "dir":

# pass

class interface(wx.Frame):

global dir

def __init__(self,parent,id):

wx.Frame.__init__(self,parent,id,'LoadMaster-V1', size=(800,600))

144

self.painel=wx.Panel(self)

self.Bind(wx.EVT_CLOSE, self.OnCloseWindow)

pub.subscribe(self.GuiListener, "listengui")

#########################

#############barra de estados

status=self.CreateStatusBar(3)

self.SetStatusWidths([-1,-4,-1])

self.SetStatusText('Texto',1)

#############################

#

##############################caixas###############################

CaixabarraCabecalho=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -

1, 'Status')), wx.HORIZONTAL)

InteriorCaixabarraCabecalho = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL)

CaixabarraCabecalho.Add(InteriorCaixabarraCabecalho, 0,

wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER)

CaixabarraTopo=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'valores')), wx.HORIZONTAL)

InteriorCaixabarraTopo = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL)

CaixabarraTopo.Add(InteriorCaixabarraTopo, 0,


CaixabarraMeio=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'comandos')), wx.HORIZONTAL)

InteriorCaixabarraMeio = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL)

CaixabarraMeio.Add(InteriorCaixabarraMeio, 0,


CaixabarraFundo=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'captura')), wx.HORIZONTAL)

InteriorCaixabarraFundo = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL)

CaixabarraFundo.Add(InteriorCaixabarraFundo, 0,


CaixaPrincipal=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'LOADMASTER')), wx.VERTICAL)

############### barra cabecalho##########################

CaixaconectRPM=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'RPM')), wx.VERTICAL)

145

CaixaconectLOAD=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'LOAD')), wx.VERTICAL)

CaixaMensagens=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Mensagens')), wx.VERTICAL)

BotaoLigaRPM=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Connect')

BotaoLigaRPM.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onConnectRPM)

BotaoLigaLOAD=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Connect')

BotaoLigaLOAD.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onConnectLOAD)

self.RPMstatus=wx.StaticText(self.painel,-

1,"Desligado:",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER)

self.LOADstatus=wx.StaticText(self.painel,-

1,"Desligado:",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER)

self.mensagens=wx.StaticText(self.painel,-

1,"Mensagem:",pos=(10,10), size=(100,-1),style=wx.ALIGN_LEFT)

CaixaconectRPM.Add(BotaoLigaRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaconectRPM.Add(self.RPMstatus, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaconectLOAD.Add(BotaoLigaLOAD, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaconectLOAD.Add(self.LOADstatus, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaMensagens.Add(self.mensagens, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_LEFT, 5)

CaixabarraCabecalho.Add(CaixaconectRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

CaixabarraCabecalho.Add(CaixaconectLOAD, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

CaixabarraCabecalho.Add(CaixaMensagens, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

####################barra topo#########################

CaixaAmp=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Amps

(mA)')), wx.VERTICAL)

CaixaVolt=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'Volts

(V)')), wx.VERTICAL)

Caixatorque=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Torque (Nm)')), wx.VERTICAL)

CaixaRPS=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'RPS

(Hz)')), wx.VERTICAL)

CaixaRPM=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'RPM

(rpm)')), wx.VERTICAL)

CaixaRad=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1, 'w

(rad/s)')), wx.VERTICAL)

Caixadpotencia=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'potencia (W)')), wx.VERTICAL)

Caixapotenciamw=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'potencia (mW)')), wx.VERTICAL)

146

self.Amp=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-

1),style=wx.ALIGN_CENTER)

CaixaAmp.Add(self.Amp, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.Volt=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-


CaixaVolt.Add(self.Volt, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.torque=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10),

size=(100,-1),style=wx.ALIGN_CENTER)

Caixatorque.Add(self.torque, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.RPS=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-


CaixaRPS.Add(self.RPS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.RPM=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-


CaixaRPM.Add(self.RPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.RADS=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10), size=(100,-


CaixaRad.Add(self.RADS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.potencia=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10),


Caixadpotencia.Add(self.potencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.potenciamw=wx.StaticText(self.painel,-1,"0",pos=(10,10),


Caixapotenciamw.Add(self.potenciamw, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(CaixaAmp, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(CaixaVolt, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(CaixaRPS, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(CaixaRPM, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(CaixaRad, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(Caixadpotencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(Caixapotenciamw, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraTopo.Add(Caixatorque, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

####################barra meio#########################

CaixaSetCorrente=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Corrente')), wx.VERTICAL)

CaixaSetCapturas=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Capturas')), wx.VERTICAL)

CaixaSetIncremento=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Incremento')), wx.VERTICAL)

CaixaGraficos=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Grafico')), wx.VERTICAL)

147

self.SetCorrente=wx.SpinCtrl(self.painel, wx.ID_ANY,

value="",style=wx.SP_ARROW_KEYS, min=0, max=900, initial=0)

self.SetCorrente.Bind(wx.EVT_SPINCTRL, self.onUpdatecurrent)

self.SetCapturas=wx.SpinCtrl(self.painel, wx.ID_ANY,


self.SetCapturas.Bind(wx.EVT_SPINCTRL, self.onUpdatecapturas)

self.SetIncremento=wx.SpinCtrl(self.painel, wx.ID_ANY,


self.SetIncremento.Bind(wx.EVT_SPINCTRL, self.onUpdatemedidas)

BotaoGraficos=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Graficos')

BotaoGraficos.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onGraficos)

CaixaSetCorrente.Add(self.SetCorrente, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

CaixaSetCapturas.Add(self.SetCapturas, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

CaixaSetIncremento.Add(self.SetIncremento, 1,

wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaGraficos.Add(BotaoGraficos, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraMeio.Add(CaixaSetCorrente, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraMeio.Add(CaixaSetCapturas, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraMeio.Add(CaixaSetIncremento, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER,

5)

CaixabarraMeio.Add(CaixaGraficos, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

####################barra fim#########################

CaixaDirectoria=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Dir')), wx.VERTICAL)

CaixaCaptura=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Captura')), wx.HORIZONTAL)

CaixaSequencia=wx.StaticBoxSizer((wx.StaticBox(self.painel, -1,

'Sequencia')), wx.HORIZONTAL)

self.Directoria=wx.TextCtrl(self.painel,value=direc.getadress(),

size=(300,-1),style=wx.TE_PROCESS_ENTER)

CaixaDirectoria.Add(self.Directoria, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

self.Directoria.Bind(wx.EVT_TEXT_ENTER, self.onDir)

self.sequencia=wx.RadioBox(self.painel, -1,

style=wx.RA_SPECIFY_ROWS,choices=["UP-DOWN","UP-UP"],name="dasdasd")

self.sequencia.Bind(wx.EVT_RADIOBOX, self.onupdateSequencia)

BotaoStop=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Para')

BotaoStart=wx.Button(self.painel, wx.ID_ANY, 'Inicia')

BotaoStop.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onSTOP)

BotaoStart.Bind(wx.EVT_BUTTON, self.onSTART)

148

CaixaCaptura.Add(BotaoStop, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaCaptura.Add(BotaoStart, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixaSequencia.Add(self.sequencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 2)

CaixabarraFundo.Add(CaixaSequencia, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 3)

CaixabarraFundo.Add(CaixaDirectoria, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

CaixabarraFundo.Add(CaixaCaptura, 1, wx.ALL|wx.ALIGN_CENTER, 5)

##########

#############################################

##############caixa principal#################

CaixaPrincipal.Add(CaixabarraCabecalho, 0,


CaixaPrincipal.Add(CaixabarraTopo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER)

CaixaPrincipal.Add(CaixabarraMeio, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER)

CaixaPrincipal.Add(CaixabarraFundo, 0, wx.EXPAND|wx.ALIGN_CENTER)

self.painel.SetSizer(CaixaPrincipal)

CaixaPrincipal.Fit(self)

##############################

self.SetSizeHints(400,400,1800,1800)

self.trabalhador=WorkerThread()

self.graficos = plots(self)

#####################################

def GuiListener(self,comandogui="-1",mensagemgui="-1"):

if comandogui=="EstadoRPM":

self.RPMstatus.SetLabel(mensagemgui)

if comandogui=="EstadoLOAD":

self.LOADstatus.SetLabel(mensagemgui)

if comandogui=="EstadoDYNA":

self.DYNAstatus.SetLabel(mensagemgui)

if comandogui=="ValLOAD":

Mensagem=mensagemgui.split(' ')

self.Amp.SetLabel(Mensagem[0])

self.Volt.SetLabel(Mensagem[1])

if comandogui=="ValRPM":

try:

149

#Mensagem=mensagemgui.split(' ')

self.RPS.SetLabel(mensagemgui)

self.RPM.SetLabel(str(60*float(mensagemgui)))

self.RADS.SetLabel(str(2*3.1415*float(mensagemgui)))

except:

print "erro2"

if comandogui=="ValTorque":

self.torque.SetLabel(mensagemgui)

if comandogui=="ValPOT":

self.potencia.SetLabel(mensagemgui)

self.potenciamw.SetLabel(str(float(mensagemgui)*1000))

if comandogui=="Mensagem":

self.mensagens.SetLabel(mensagemgui)

#####################################

def onConnectRPM(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="connectRPM")

def onConnectLOAD(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="connectLOAD")

def onUpdateDiam(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UPDATEDIAM",mensagemthread=se

lf.DiametroRotor.GetLineText(1))

def onZero(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Zero")

def onAfina1(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Afina1")

def onAfina2(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Afina2")

def onGraficos(self,event):

self.graficos.Show()

def onSTOP(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Stop")

def onSTART(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="Start")

def onDir(self,event):

direc.setadress(self.Directoria.GetLineText(1))

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="dir")

self.mensagens.SetLabel("ficheiro mudado")

def onUpdatecurrent(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UpdateCurrent",mensagemthread

= self.SetCorrente.GetValue())

150

def onUpdatecapturas(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UpdateCapturas",mensagemthrea

d= self.SetCapturas.GetValue())

def onupdateSequencia(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UpdateSequencia",mensagemthre

ad= self.sequencia.GetSelection())

def onUpdatemedidas(self,event):

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="UpdateIncremento",mensagemthr

ead= self.SetIncremento.GetValue())

def OnCloseWindow(self,event):

global isalive

pub.sendMessage("listenthread",comandothread="morre")

while self.trabalhador.is_alive():

#print "ainda nao morreu"

pass

try:

self.graficos.Destroy()

self.listaTramas.Destroy()

self.Destroy()

except:

self.Destroy()

if __name__=='__main__':

app=wx.App()

frame=interface(parent=None,id=-1)

frame.Show()

app.MainLoop()

151

Anexo K. Fluxograma do medidor de potência elétrica


Configuração das portas ADC


Main Loop

Pedido válido?

S

N Ignora o pedido

Início

Incrementa 1?

N

Decrementa 1?

N

Escolhe corrente?

SDecrementa valor

de PWM em 1

SColoca o valor de

PWM no valor indicado no pedido

SIncrementa valor de

PWM em 1

Retorna

Configura porta PWM

Envia dados? S

Cria pacote compatível com

XBee com a corrente e tensão

medida.

N

Desligou?

Fim

N

S

Figura K.1 – Fluxograma do medidor de potência elétrica.

152

Anexo L. Código Arduíno do medidor de potência elétrica


int duty = 0;


const int analogInPin = A0;

const int analogInPin2 = A1;

int sensorCorrente = 0;

int sensorTensao = 0;

String enviaforcado = "f";

String envia = "e";

String incrementa = "i";

String decrementa = "d";

String set = "s";

byte inicio[3];

byte resto[30];

int tamanhoRecepcao = 0;

boolean output = HIGH;

int recepint = 0;

int dadosAmp[10];

int dadosVolt[10];

byte head[] = {0x7E, 0x00, 0x5E , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0xFF , 0xFE , 0x00 , 0x00 };

byte payload[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00

, 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00

, 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00

, 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00};

byte checksum = 0x79;

int valorSensor = 0;

void setup()

{

Serial.begin(19200);

Serial.setTimeout(200);


Timer1.initialize(1000); // initialize timer1, and set a 1/2

second period

Timer1.pwm(9, duty); // setup pwm on pin 9, 50% duty cycle

153

}

void loop()

{

}

void enviadados() {

checksum = 0x0D;

char tempdata[5];

char tempdatalong[11];

int indice = 0;

while (indice < sizeof(payload)) {

valorSensor = analogRead(analogInPin);

sprintf( tempdata, "%4d", valorSensor );

payload[indice] = tempdata[0];

checksum += payload[indice];

indice++;



indice++;



indice++;



indice++;

valorSensor = analogRead(analogInPin2);

sprintf( tempdata, "%4d", valorSensor );



indice++;



indice++;



indice++;



indice++;

}

checksum = 0xFF – checksum;

Serial.write(head, sizeof(head));

Serial.write(payload, sizeof(payload));

Serial.write(checksum);

}


byte checksum = 0;


154

Serial.readBytes(inicio, 3); //captura os primeiros 4 bytes para

encontrar

if (inicio[0] == 0x7E) { // o comprimento da trama

digitalWrite(13, output);

output = !output;

tamanhoRecepcao = (inicio[1] << 8) + inicio[2]; //calcula o

comprimento da trama

Serial.readBytes(resto, tamanhoRecepcao + 1); //vai buscar o

resto da trama

for (int i = 0; i < tamanhoRecepcao + 1; i++) { //soma os pacotes

para verificar checksum

checksum += resto[i];

}

//

if (checksum == 0xFF) { // o valor do checksum é o

correcto?

if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x65) {

enviadados();

digitalWrite(13, output);

output = !output;

}

else if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x73) {

char valor[] = {'0', '0', '0', '0'};

int j = 4 – (tamanhoRecepcao – 13);

for (int i = 13; i < tamanhoRecepcao; i++) {

valor[j] = resto[i];

j++;

}

duty = atoi(valor);

if (duty > 1023) {

duty = 1023;

}

else if (duty < 0) {

duty = 0;

}

Timer1.setPwmDuty(9, duty);

}

}

}

}

}

155

Anexo M. Fluxograma do medidor de rotações







anterior e a atual


Envia os dados do periodo

Main LoopGuarda os dados na

memória



Pedido válido?

S

N Ignora o pedido

Início

RetornaDesligou? Fim

S

N

Retorna

Figura M.1 – Fluxograma do código do medidor de rotações.

156

Anexo N. Código Arduíno do medidor de rotações



unsigned long periodo=0;


String Envia = "e";

void setup() {

Serial.begin(9600);



}

void loop() {

if(time+1500000<micros()){

periodo=0;

}

}

void rodou() {

noInterrupts();

timeold=time;

time=micros();


//Serial.println(periodo);


interrupts();

}



comando += (char)Serial.read();

// add it to the inputString:

}

if (comando == Envia) {

Enviadados();

}

comando = "";

}

void Enviadados() {

Serial.print("Periodo ");

Serial.println(periodo);

}

157

Anexo O. Gráficos de potência mecânica do sistema Propeller

Neste anexo são apresentados os dados obtidos com o sistema Propeller de forma gráfica.

Figura O.1 – Gráfico de potência e binário para o sistema sem bocal e com uma queda de 10cm.

Figura O.2 – Gráfico de potência e binário para o sistema com bocal reto e com uma queda de 10cm.

0

0.00027

0.00054

0.00081

0.00108

0.00135

0.00162

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



0

0.00014

0.00028

0.00042

0.00056

0.0007

0.00084

0.00098

0.00112

0.00126

0.0014

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



158

Figura O.3 – Gráfico de potência e binário para o sistema com bocal divergente e com uma queda de 10cm.


0

0.00027

0.00054

0.00081

0.00108

0.00135

0.00162

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



0

0.0004

0.0008

0.0012

0.0016

0.002

0.0024

0.0028

0.0032

0.0036

0.004

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200 250 300

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



159



0

0.0004

0.0008

0.0012

0.0016

0.002

0.0024

0.0028

0.0032

0.0036

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



0

0.0007

0.0014

0.0021

0.0028

0.0035

0.0042

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



160



0

0.00045

0.0009

0.00135

0.0018

0.00225

0.0027

0.00315

0.0036

0.00405

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



0

0.0007

0.0014

0.0021

0.0028

0.0035

0.0042

0.0049

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 350

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



161


0

0.0007

0.0014

0.0021

0.0028

0.0035

0.0042

0.0049

0.0056

0.0063

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Bin

ário

(N

m)

Po

tên

cia

(mW

)



162

Anexo P. Fotografias do sistema Propeller

Neste anexo são representadas algumas imagens referentes ao sistema Propeller

Figura P.1 – Bomba de reciclagem de água, tanque de estabilização e tanque de captura.

Figura P.2 – Sistema de medição de binário e potencia, turbina, sistema de captação e sistema de

reciclagem de água.

Figura P.3 – Alinhamento correto do fio.

163

Figura P.4 – Testes preliminares com o eixo em cobre.

Figura P.5 – Método de medição de caudal.

Figura P.6 – No topo o conjunto de eixo impermeável, prendedor de eixo e apoio do gerador. Na parte

inferior o cone, a turbina e uma moeda para escala.

164

Figura P.7 – Conduta de captura e a encapsulamento da turbina. Moeda para escala.

Figura P.8 – Buraco para o eixo impermeável e rosca do apertador de eixo.

Figura P.9 – Saída de água e parafusos de troca fácil de turbina.

165

Figura P.10 – Matriz de testes efetuados.

166

Anexo Q. Fotografias do sistema Pelton

Neste anexo são representadas algumas fotos relativas ao sistema Pelton.

Figura Q.1 – Detalhe do alinhamento do injetor e da turbina.

Figura Q.2 – Cobertura transparente e tubo transparente de relocalização de válvula de purga de ar.

Figura Q.3 – Detalhe da estrutura basculante e deslizante. Facilita muito a troca do injetor e turbina.

167

Figura Q.4 – Detalhe do sistema de troca rápida de injetor e mecanismo de purga de ar.

Figura Q.5 – Mecanismo de aplicação uniforme de verniz.

Figura Q.6 – Turbina 2 uniformemente envernizada.

168

Figura Q.7 – Detalhe da turbina 1.




169





170





171





172



Figura Q.25 – Detalhe da turbina A.

Figura Q.26 – Detalhe da turbina de metal.

173

Figura Q.27 – Condições de teste.

Figura Q.28 – Tanque de compensação, tanque de captura e válvula de boia.

174

Figura Q.29 – Sistema de medição de rotações por minuto.

Figura Q.30 – Eixo de inox montado no chassis do gerador no lugar do rotor.

Figura Q.31 – Nível do jato de água.

175

Figura Q.32 – Medição da velocidade da água para fins de cálculo de queda efetiva.

Figura Q.33 – O correto alinhamento do jato e da turbina.

Figura Q.34 – Detalhe da escapatória da água.

176

Figura Q.35 – Válvula de purga de ar em funcionamento.

Figura Q.36 – Detalhe da junta de borracha

A Figura Q.37, Figura Q.38, Figura Q.39, Figura Q.40, Figura Q.41, Figura Q.42, Figura

Q.43, Figura Q.44 e a Figura Q.45 mostram a qualidade do jato. Para permitir a focagem

da câmara e se ter uma referencia de escala e opacidade do jato foi colocada uma caneta por

trás deste.

Figura Q.37 – Jato do injetor 1

177



Figura Q.40 – Jato do injetor 3A


178





179

Anexo R. Gráficos de potência mecânica do sistema Pelton

Neste anexo estão agrupados os dados dos injetores, potência disponível e dados de

potência e binários obtidos nos testes do sistema Pelton.

Figura R.1 – Potência com a turbina 1 e múltiplos injetores.

Figura R.2 – Binário com a turbina 1 e múltiplos injetores.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



180



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



181



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



182



0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0.004

0.0045

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



183



0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



184



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



185



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



186

Figura R.15 – Potência com a turbina 7 invertida e múltiplos injetores.

Figura R.16 – Binário com a turbina 7 invertida e múltiplos injetores.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



187



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



188



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



189



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



190



0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Bin

ário

(Nm

)



191



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



192



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Bin

ário

(Nm

)



193



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



194



0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



195



0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



196



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



197



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



198

Figura R.39 – Potência com a turbina A e múltiplos injetores.

Figura R.40 – Binário com a turbina A e múltiplos injetores.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350

Bin

ário

(Nm

)



199

Figura R.41 – Potência com a turbina de metal e múltiplos injetores.

Figura R.42 – Binário com a turbina de metal e múltiplos injetores.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia(

mW

)



0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Bin

ário

(Nm

)



200

Figura R.43 – Eficiência com a turbina 1 e múltiplos injetores.


0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



201



0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



202



0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



203


Figura R.50 – Eficiência com a turbina 7 invertida e múltiplos injetores.

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



204



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



205



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



206



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



207



0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



208



0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



209


Figura R.62 – Eficiência com a turbina A e múltiplos injetores.

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350

Efic

iên

cia

(%)



210

Figura R.63 – Eficiência com a turbina de metal e múltiplos injetores.

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



211

Anexo S. Gráficos dos testes de carga elétrica

Neste anexo estão agregados todos os dados relativos à turbina acoplada ao gerador com

retificador.

Figura S.1 – Potência elétrica com a turbina 8 e múltiplos injetores.

Figura S.2 – Relação entre a tensão e a velocidade angular para a turbina 8.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ten

são

(V

)



212

Figura S.3 – Relação entre a corrente e a velocidade angular para a turbina 8.


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Co

rren

te (

mA

)



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



213



0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ten

são

(V

)



0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Co

rren

te (

mA

)



214



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia

(mW

)



0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Ten

são

(V

)



215



0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Co

rren

te (

mA

)



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia

(mW

)



216



0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Ten

são

(V

)



0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Co

rren

te (

mA

)



217

Figura S.13 – Potência elétrica com a turbina A e múltiplos injetores.

Figura S.14 – Relação entre a tensão e a velocidade angular para a turbina A.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

(mW

)



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300 350

Ten

são

(V

)



218

Figura S.15 – Relação entre a corrente e a velocidade angular para a turbina A.

Figura S.16 – Potência elétrica com a turbina de metal e múltiplos injetores.

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350

Co

rren

te (

mA

)



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



219

Figura S.17 – Relação entre a tensão e a velocidade angular para a turbina de metal.

Figura S.18 – Relação entre a corrente e a velocidade angular para a turbina de metal.

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ten

são

(V

)



0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Co

rren

te (

mA

)



220

Figura S.19 – Eficiência elétrica com a turbina 8 e múltiplos injetores.


0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



221



0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



222

Figura S.23 – Eficiência elétrica com a turbina A e múltiplos injetores.

Figura S.24 – Eficiência elétrica com a turbina de metal e múltiplos injetores.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300 350

Efic

iên

cia

(%)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



223

Anexo T. Gráficos da relação entre potência mecânica e potência elétrica

Neste anexo estão agregadas os gráficos relativos à eficiência do gerador e retificador.

Figura T.1 – Eficiência do gerador e retificador com a turbina 8 e múltiplos injetores.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



224



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Efic

iên

cia

(%)



225

Figura T.5 – Eficiência do gerador e retificador com a turbina A e múltiplos injetores.

Figura T.6 – Eficiência do gerador e retificador com a turbina de metal e múltiplos injetores.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350

Efic

iên

cia

(%)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Efic

iên

cia

(%)



226

Anexo U. Código do nó sensor


#include <MsTimer2.h>

//

const int sampletime = 1000;

int requestcharge = 0;

byte inicio[3];

byte resto[30];

int tamanhoRecepcao = 0;

int times = 5; // a quantidade de vezes que mede antes de mandar

int timesdone = 0;

unsigned long timeold = 0;

unsigned long time = 0;

unsigned long periodo = 0;

unsigned long periodotemp = 0;

const int ISensein = A1;

const int ISenseout = A2;

const int VSense = A0;

int valCorrenteout = 0;

int valCorrentein = 0;

int valTensao = 0;

int valCorrenteinold = 0;

const int alive_pin = 8;

const int chargepin = 12;

const int sendpin = 7;

int duty = 0;

int direccao = 1;

unsigned int state = 0; //0 = standby 1 = charging, 2= manual, 9 = panic

const unsigned int MaxVolt = 469;

const unsigned int MinVolt = 369;

const unsigned int MaxAmp = 500; //em niveis

const unsigned int MinAmp = 10;

int correntepico = 0;

int dutypicoUpper = 0;

int dutypico = 0;

int dutypicoLower = 0;

int indeciso = 0;

byte head[] = {0x7E, 0x00, 0x42 , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,

0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0xFF , 0xFE , 0x00 , 0x00 }; //14 len

227

byte payload[] = {'?', 'S', 'T', '=', 0x00, 0x00, '&', 'D', 'T', '=', 0x00,

0x00, 0x00, 0x00, '&', 'B', 'V', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, '&', 'I',

'I', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, '&', 'I', 'O', '=', 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, '&', 'R', 'P', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00}; // len52

////////////////// status Duty cycle

Batery voltage Current in Current

out Rotation period

byte checksum = 0x79;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

pinMode(alive_pin, OUTPUT);

pinMode(chargepin, OUTPUT);

pinMode(sendpin, OUTPUT);

Timer1.initialize(40);

Timer1.pwm(9, 0);


MsTimer2::set(sampletime, Faz);

MsTimer2::start();

}

void loop()

{

}

void Faz()

{

timesdone++;

digitalWrite(alive_pin, !digitalRead(alive_pin));

switch (state) {

case 0://idle

digitalWrite(chargepin, LOW);

valCorrentein = analogRead(ISensein);

valCorrenteout = analogRead(ISenseout);

valTensao = analogRead(VSense);

if (valTensao < MinVolt || requestcharge == 1) {

requestcharge = 0;

//Serial.println("inicia");

startcharging();

}

break;

case 1://charging

digitalWrite(chargepin, !digitalRead(alive_pin));

valCorrenteinold = valCorrentein;




if (valTensao > MaxVolt || state == 0) {

228

//Serial.println("para");

stopcharging();

}

else if (valCorrentein <= valCorrenteinold) {

digitalWrite(chargepin, !digitalRead(chargepin));

//Serial.println("muda");

direccao = -direccao;

duty = duty + direccao;

indeciso++;

if (duty > 140) {

duty = 140;

}

if (duty < 0) {

duty = 0;

}

Timer1.setPwmDutyByte(9, duty);

}

else if (valCorrentein > valCorrenteinold) {

indeciso = 0;

duty = duty + direccao;

if (duty > 140) {

duty = 140;

}

if (duty < 0) {

duty = 0;

}


//Serial.println("continua");

}

if (indeciso > 20) {

findpeak();

}

break;

case 2://manual

digitalWrite(chargepin, HIGH);

valCorrenteinold = valCorrentein;





break;

case 3://sweep

digitalWrite(chargepin, !digitalRead(alive_pin));




duty = duty + 1;

229

if (duty > 140) {

duty = 0;

}

if (duty < 0) {

duty = 0;

}


timesdone = times;

break;

case 9: // panic

Timer1.setPwmDutyByte(9, 0);

digitalWrite(alive_pin, HIGH);


digitalWrite(sendpin, !digitalRead(chargepin));

break;

default:


digitalWrite(alive_pin, HIGH);


digitalWrite(sendpin, !digitalRead(chargepin));

break;

}

if (timesdone >= times) {

Manda();

timesdone = 0;

}

}

void findpeak()

{

indeciso = 0;


correntepico = 0;

dutypico = 0;

for (int i = 1; i < 140; i++) {


Timer1.setPwmDutyByte(9, i);

delay(3000);


if (valCorrentein > correntepico) {

correntepico = valCorrentein;

dutypico = i;

}

}

}

void startcharging()

{

digitalWrite(alive_pin, LOW);

state = 1;

230

duty = 0;

findpeak();

duty = dutypico;


}

void stopcharging()

{

digitalWrite(chargepin, LOW);

state = 0;

duty = 0;

direccao = 1;


}

void Manda()

{

digitalWrite(sendpin, !digitalRead(sendpin));

checksum = 0x0D;

char tempstatus[3];

char tempdata[5];

char tempdatalong[11];

//byte payload[] = {'?', 'S', 'T', '=', 0x00, 0x00, '&', 'D', 'T', '=',

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, '&', 'B', 'V', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, '&',

'I', 'I', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, '&', 'I', 'O', '=', 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, '&', 'R', 'P', '=', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x00};

////////////////// status 4-5 Duty cycle

10-13 Batery voltage 18-21

Current in 26-29 Current out 34 -37

Rotation period 42-51

for (int i = 0; i < 2; i++) {

sprintf( tempstatus, "%2d", state );

payload[i + 4] = tempstatus[i];

}

for (int i = 0; i < 4; i++) {

sprintf( tempdata, "%4d", duty );

payload[i + 10] = tempdata[i];

}

for (int i = 0; i < 4; i++) {

sprintf( tempdata, "%4d", valTensao );


}

for (int i = 0; i < 4; i++) {

sprintf( tempdata, "%4d", valCorrentein );


}

for (int i = 0; i < 4; i++) {

sprintf( tempdata, "%4d", valCorrenteout );


}

231

for (int i = 0; i < 10; i++) {

sprintf( tempdatalong, "%10lu", periodo );

payload[i + 42] = tempdatalong[i];

}

for (int i = 0; i < sizeof(payload); i++) {

checksum += payload[i];

}

checksum = 0xFF – checksum;

Serial.write(head, sizeof(head));

Serial.write(payload, sizeof(payload));

Serial.write(checksum);

}

void rodou() {

noInterrupts();

timeold = time;

time = micros();

if (time > timeold) {

periodo = time – timeold;

}

interrupts();

}


byte checksum = 0;


Serial.readBytes(inicio, 3); //captura os primeiros 4 bytes para

encontrar

if (inicio[0] == 0x7E) { // o comprimento da trama

tamanhoRecepcao = (inicio[1] << 8) + inicio[2]; //calcula o

comprimento da trama

Serial.readBytes(resto, tamanhoRecepcao + 1); //vai buscar o

resto da trama

for (int i = 0; i < tamanhoRecepcao + 1; i++) { //soma os pacotes

para verificar checksum

checksum += resto[i];

}

//

if (checksum == 0xFF) { // o valor do checksum é o

correcto?

if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x69 && state == 0) { //

iniciar carregamento

requestcharge = 1;

}

if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x70) {//parar carregamento

stopcharging();

}

if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x6D && state == 0) { //manual

state = 2;

232

}

if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x76 && state == 0) { //sweep

state = 3;

}

else if (resto[0] == 0x90 && resto[12] == 0x73 && state == 2) {

char valor[] = {'0', '0', '0', '0'};

int j = 4 – (tamanhoRecepcao – 13);

for (int i = 13; i < tamanhoRecepcao; i++) {

valor[j] = resto[i];

j++;

}

noInterrupts();

duty = atoi(valor);

if (duty > 140) {

duty = 140;

}

else if (duty < 0) {

duty = 0;

}

interrupts();


}

}

}

}

digitalWrite(sendpin, !digitalRead(sendpin));

}

233

Anexo V. Gráficos dos testes com nó sensor

Neste anexo são apresentadas todos os gráficos relativos aos testes com o nó sensor.

Figura V.1 – Potência de entrada e saída da bateria para a turbina 15 e injetor 5.

Figura V.2 – Potência de entrada e velocidade angular para a turbina 15 e injetor 5.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


234

Figura V.3 – Relação entre a potência e a corrente de entrada na bateria para a turbina 15 e injetor 5.


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Po

tên

cia

(mW

)



235



0

55

110

165

220

275

330

385

440

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


236



0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



0

60

120

180

240

300

360

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


237



0

100

200

300

400

500

600

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



238



0

45

90

135

180

225

270

315

360

405

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


239

Figura V.13 – Potência de entrada e saída da bateria para a turbina A e injetor 5.

Figura V.14 – Potência de entrada e velocidade angular para a turbina A e injetor 5.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200 250 300

Po

tên

cia

(mW

)



0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


240

Figura V.15 – Relação entre a potência e a corrente de entrada na bateria para a turbina A e injetor 5.

Figura V.16 – Potência de entrada e saída da bateria para a turbina A e injetor 7.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

(mW

)



241

Figura V.17 – Potência de entrada e velocidade angular para a turbina A e injetor 7.

Figura V.18 – Relação entre a potência e a corrente de entrada na bateria para a turbina A e injetor 7.

0

35

70

105

140

175

210

245

280

315

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


242

Figura V.19 – Potência de entrada e saída da bateria para a turbina de metal e injetor 5.

Figura V.20 – Potência de entrada e velocidade angular para a turbina de metal e injetor 5.

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



0

60

120

180

240

300

360

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


243

Figura V.21 – Relação entre a potência e a corrente de entrada na bateria para a turbina de metal e injetor 5.

Figura V.22 – Potência de entrada e saída da bateria para a turbina de metal e injetor 7.

0

100

200

300

400

500

600

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(mW

)



244

Figura V.23 – Potência de entrada e velocidade angular para a turbina de metal e injetor 7.

Figura V.24 – Relação entre a potência e a corrente de entrada na bateria para a turbina de metal e injetor 7.

0

70

140

210

280

350

420

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vel

oci

dad

e an

gula

r (r

ad/s

)

Po

tên

cia

(mW

)

Fator de ciclo (%)


0

250

500

750

1000

1250

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Po

tên

cia

(mW

)

Co

rren

te (

mA

)

Fator de ciclo (%)


245

Figura V.25 – Eficiência do sistema completo para o injetor 5.

Figura V.26 – Eficiência do sistema completo para o injetor 7.

0

5

10

15

20

25

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Turbina 8 Turbina 15 Turbina A Turbina de metal

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Centro de Competência de Ciências Exatas e da Engenharia